LIBIA GUTIÉRREZ DE LÓPEZ

EL CONCRETO Y OTROS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MANÍJALES ;

I.S.B.N 958-9322-82-4

© 2003 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES

A U T O R A

LIBIA GUTIÉRREZ DE LÓPEZ Ingeniera Civil. Esp. en Ciencias Físicas Profesora Asociada Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

R E V I S I Ó N P R I M E R A E D I C I Ó N :

Roberto Arango Bernal Ingeniero Civil Profesor Asistente Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

Nelson Alonso Grand Vargas Ingeniero Mecánico. Ms.Sc. Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

C A R Á T U L A

Ruptura de columna Imagen creada en 3D Studio Max

I M P R E S O

Centro de Publicaciones Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

Marzo de 2003 Segunda edición

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN 7

CAPÍTULO 1

AGREGADOS 9 Origen de los Agregados Naturales 9 Obtención y Clasificación de los Agregados Naturales 15

Clasificación según su procedencia 16 Clasificación según su densidad 17

Propiedades 17 Propiedades Químicas 17 Propiedades Físicas 18 Propiedades Mecánicas 24 Presencia de Sustancias Perjudiciales 26

Características y especificaciones de los agregados y su influencia en las obras de ingeniería 27 Pavimentos 27 Granulometría 29

CAPÍTULO 2

CONCRETO HIDRÁULICO 33 Introducción 33 Historia del Concreto Hidráulico 33 Componentes del Concreto 34

Cemento 34 El agua 46 Agregados 48

Características del Concreto 51 Manejabilidad 51 Resistencia 53 Durabilidad 57 Resistencia al fuego 59 Cambios volumétricos 59

Dosificación de Mezclas de Concreto - 61 Método 1 62 Método 2 67

Proceso de Producción del Concreto 82 Mezclado 82 Transporte 83 Colocación 84

. Compactación 84 Acabado 85 Curado 85

Desencofrado 86 Control de Calidad del Concreto 86 Análisis de los Resultados de Resistencia 90 Evaluación del Concreto puesto en obra 93

índice esclerométrico 93 Penetración de proyectiles 94 Velocidad del pulso ultrasónico 94 Arrancamiento de insertos 95 Pull-out test 96 Break off tester 97 Pull-off tester 97 Extracción de núcleos 98

Aditivos para el Concreto 99 Algunas clases de Concreto 105

Concreto lanzado 105 Concreto ciclópeo 106 Concretos autonivelantes 107 Concreto reforzado con ñbras 107 Concreto ligero 109 Concreto preesforzado 110 Concreto compactado con rodillo 110 Concreto vaciado por tubo - embudo (TREMIE) 111 Concreto de alta resistencia 112

Bibliografía Capítulos 1 y 2 113

CAPÍTULO 3

MORTEROS 115 Introducción 115 Definición 115 Tipos y Usos de los Morteros 115 Usos del Mortero 119 Propiedades de los Morteros en estado plástico 119 Propiedades de los Morteros en estado endurecido 120 Diseño de Morteros con cemento Portland 121 Bibliografía Capítulo 3 129

CAPÍTULO 4

MATERIALES CERÁMICOS 131 Introducción 131 Composición 131 Arcillas ....131

Principales minerales arcillosos „ 132 Plasticidad de la arcilla 133

Ladrillos 135 Producción 135 Clasificación 136

Propiedades químicas 139 Patologías del material cerámico como acabados de fachada 139

Vidrio 141 Propiedades físicas y mecánicas 141 Producción del vidrio 143

Bibliografía Capítulo 4 144

CAPÍTULO 5

LA MADERA 145 Introducción 145 Características 145 Ventajas 146 Clasificación y estructura 146 Componentes químicos de la madera 150 Planos de la madera 150 Características físicas 151 Propiedades químicas 160 Durabilidad 162 Propiedades mecánicas 163 Propiedades elásticas 169 Esfuerzos admisibles 170 Clasificación de la madera 172 Defectos en la madera 173 Bibliografia Capítulo 5 175

CAPÍTULO 6

LOS ASFALTOS 177 Introducción 177 Definición 177 Clasificación de los asfaltos 178

Asfaltos naturales o asfaltitas 178 Asfaltos destilados del petróleo 180

Obtención del asfalto 181 Composición quimica 183 Influencia de la composición química del asfalto en sus propiedades 184 Ensayos sobre materiales asfálticos 185

Viscosidad de los asfaltos 185 Punto de ablandamiento v

1> 88 Penetración 189 Punto de rotura Fraass (fragilidad) 190 Ductilidad 191 Punto de inflamación 191 Envejecimiento de película delgada o perdida por calentamiento 192 Solubilidad 193 Contenido de agua 194

Propiedades del asfalto como material ligante 194 Durabilidad 194 Consistencia 195

Viscosidad 195 Propiedades Teológicas 195 Adherencia 196

Asfaltos líquidos o diluidos 196 Emulsiones asfálticas 197

Introducción 197 Definición 198 Clases de emulsiones 198 Propiedades de las emulsiones 199

Asfaltos producidos en Colombia 201 Bibliografía Capítulo 6 202

CAPÍTULO 7

ACERO DE REFUERZO 205 Del acero al carbono 205 Composiciones del acero 206 Propiedades de los materiales ferrosos 207 Fabricación del acero 208 Tratamientos térmicos al acero 209 Clasificación de los aceros 210 Bibliografía 217

CAPÍTULO 8

MATERIALES POLIMÉRICOS 219 Termoplásticos 219 Termoestables 219 Clasificación de los materiales poliméricos 220 Propiedades Físicas 221 Propiedades Mecánicas 221 Propiedades Ópticas 222 Propiedades Eléctricas 223 Propiedades Químicas 223 Propiedades Térmicas 224 Aplicación de los materiales poliméricos 224 Bibliografía 227

Indice de tablas 229 Indice de figuras 230 Indice de gráficas 231

I N T R O D U C C I Ó N

El conocimiento profundo de los materiales que la naturaleza nos ha dado, y de otros transformados a partir de estos, es el primer paso para lograr innovaciones tecnológicas constructivas que la condición mundial actual requiere. Problemas como el agotamiento de recursos naturales y la mayor demanda de vivienda para una población en continuo crecimiento, hace que cada día se necesiten con más urgencia nuevos materiales y tecnologías en la construcción, para que las viviendas sean mas funcionales, seguras y económicas.

Por lo anterior y para que sirva como texto guía en la asignatura MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN, me he propuesto tratar en este libro, los tópicos más importantes sobre algunos materiales empleados en la construcción, apoyada en la gran profundidad y conocimiento de distintos autores, y agregando un poco de mi experiencia personal acumulada en varios años de docencia universitaria y al trabajo en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales.

Deseo que tanto el Ingeniero Civil, como el Arquitecto, encuentren reunidos aquí, los conocimientos necesarios, para que puedan emplear con seguridad y economía, materiales tradicionales como el concreto, el asfalto, los morteros, la madera, etc., y que conociéndolos ahonden en la búsqueda de otros materiales, que lleguen a reemplazarlos en igualdad de condiciones.

II

CAPÍTULO 1

AGREGADOS

Los agregados constituyen un factor determinante en la economía, durabilidad y estabilidad en las obras civiles, pues ocupan allí un volumen muy importante. Por ejemplo el volumen de los agregados en el concreto hidráulico es de un 65% a 85%, en el concreto asfáltico es del 92% al 96%, en los pavimentos del 75% al 90%.

Por lo anterior el estudio de sus propiedades físicas y mecánicas cobra especial importancia para su adecuada y eficiente utilización.

Antes de empezar a estudiarlos es conveniente definir algunos términos utilizados bien por el ingeniero o bien por el común de la gente, para que todos hablemos el mismo idioma.

• Agregado o árido: conjunto de materiales de composición mineral, naturales o artificiales, generalmente inertes, usados en la construcción de obras civiles.

• Agregado grueso o grava: material retenido en el tamiz No. 4, con un tamaño entre 7.6 cm y 4.76 mm.

• Agregado fino o arena: material pasante de la malla No. 4 y retenido en la malla No. 200, con tamaños entre 4.76 mm y 74 Mieras (0.074 mm.).

• Finos: son partículas pasantes del tamiz No. 200 con tamaños entre 0.074 mm y 0.002 mm.

• Sucio de río: término empleado para denominar en su totalidad el material de arrastre de un río sin separación de tamaños, y tal como se puede extraer de un depósito natural. En algunas regiones del país a este material se llama Champurriado.

• Gravilla: material de río o de cantera, separado en la fuente en tamaños pasantes del tamiz 3/4" y retenido en el No.4, con tamaños entre 19.1 mm y 4.76 mm.

• Arenón: arena natural de río o de veta, con tamaños pasantes del tamiz 3/8" y retenidos en el tamiz No.40, es decir con tamaños entre 9.51 mm y 0.420 mm.

• Cascajo: hace referencia exclusivamente al agregado rodado pasante del tamiz 1 1/2" y retenido en el tamiz No.4, con tamaños entre 38.1 mm y 4.76 mm.

ORIGEN DE LOS AGREGADOS NATURALES

Los agregados naturales provienen de las rocas y se obtienen por un proceso de fragmentación natural como el intemperismo y la abrasión o mediante un proceso físico mecánico hecho por el hombre; en ambos casos conservan las propiedades físicas: densidad, porosidad, textura, resistencia al intemperismo y composición mineralógica de la roca madre.

II

Para comprender mejor las propiedades de los agregados como su textura, porosidad, y su resistencia, tanto mecánica como al intemperismo, es necesario estudiar un poco la genealogía de las rocas y su formación.

Las rocas originales o ígneas se produjeron por fenómenos geológicos internos de la tierra al solidificarse el magna que es una mezcla heterogénea de diversos silicatos, y posteriormente por fenómenos geológicos externos como la meteorización, con el tiempo se formaron las rocas sedimentarias. Posteriormente las rocas sedimentarias e ígneas al sufrir procesos de presión y temperatura formaron las rocas metamórficas. Este proceso se conoce como un ciclo geológico de las rocas y puede observarse en el siguiente diagrama.

M + T + D + C

M: meteorización D : depósito Q : calor P: presión T : transporte C : cementación S : solución

FIGURA No. 1 CICLO GEOLÓGICO DE LAS ROCAS

Rccas ígneas

La mayor parte de la corteza terrestre está formada por rocas ígneas y de ellas se forman las otras rocas por lo cual son llamadas originales. Según la profundidad a la cual se solidifican dentro de la tierra y la velocidad de enfriamiento se clasifican como aparece en la tabla No. 1.

TABLA No. 1 CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS IGNEAS SEGÚN LA PROFUNDIDAD Y VELOCIDAD DE CONSOLIDACIÓN

NOMBRE VELOCIDAD DE SOLIDIFICACIÓN LOCALIZACIÓN CARACTERÍSTICAS DE

LA TEXTURA Intrusivas Plutónicas Abisales

lenta Cristalización a gran profundidad

Fanerítica: grano uniforme y visible de 1 a 5 mm

Filonianas Hipoabisales media

Consolidación a profundidad media

Porfirítica: granos grandes en matriz fina

Extrusivas Efusivas o Volcánicas

rápida Cristalización cerca o sobre la superficie por erupción volcánica

Afanítica: no se aprecian los granos matriz fina, o no. Afanítica: bombas

10

De acuerdo con la velocidad de enfriamiento del magna, se produce una textura determinada, relacionada con la adherencia del agregado a productos cementantes.

La cristalización en las rocas ígneas está gobernada por la serie de reacciones de Bowen figura No.2, en donde cada parte de mineral formado reacciona químicamente con el líquido remanente del magna generando el mineral que se encuentra por encima. La interrupción de esta serie que ocurre cuando los volátiles escapan, explica el por qué se presentan rocas ígneas de diferente composición minerológica. La interrupción también puede darse por el asentamiento de algunos minerales formados primero.

SERIE DISCONTINUA SERIE CONTINUA

Olivino Anortita

Piroxeno Ladrodorita X X

Aumenta Fe/Mg Andesina X X

Piroxeno Oligollasa

Biotita Albita

Cuarzo Feldespato Potásico Zeolita

1 Soluciones ricas en agua

FIGURA No. 2 SERIE DE BOWEN

Las rocas que conticncn los minerales de la parte superior son ricas en magnesio y calcio y son de colores oscuros. Si los minerales constitutivos son los intermedios tienen colores grises. Por último los minerales de la parte inferior forman roca de colores claros.

El proceso de formación influye en las características, así:

" granos de minerales de alta resistencia producen rocas de alta resistencia.

• texturas de grano mas fino producen rocas de mayor resistencia.

• rocas ígneas extrusivas presentan un comportamiento más variable debido a sus características de formación por lo cual son muy porosas y tienen resistencia muy baja.

• ígneas intrusivas son de alta resistencia, ausencia casi total de poros y muy homogéneas en su composición mineralógica.

i i

• rocas compuestas por minerales como el olivino, piroxeno, anortita son mas inestables químicamente frente a las condiciones climáticas que las compuestas por minerales pertenecientes a la parte inferior de la serie.

Rocas Sedimentarias

Se derivan de los procesos de sedimentación de materiales naturales en un medio fluido conformando capas o estratos gruesos o delgados.

Según su origen pueden ser:

• Clásticas: compuestas de partículas, fruto de la erosión de otras rocas.

• Orgánicas: formadas por la acumulación de material orgánico vegetal o animal.

• Químicas: formadas a partir de procesos o reacciones químicas naturales, tales como evaporación, precipitación o reemplazamiento.

Las rocas sedimentarias constituyen el 75% de las rocas de la superficie; de ellas el 46% son lutitas, 32% arenisca y el 22% calizas.

Las rocas clásticas son las mas comunes y se clasifican de acuerdo al tamaño de las partículas que las conforman, directamente asociado con la energía cinética del fluido que las transportó y permitió su acumulación. Estos agentes arrastran los materiales redondeándolos y dándoles una forma y tamaño que posteriormente inciden en la calidad del material como agregado.

La tabla No.2 muestra una clasificación de las rocas sedimentarias clásticas según la forma y tamaño del grano.

TABLA No. 2. PROPIEDADES FÍSICO MECÁNICAS

ROCA GRANO FORMA DE GRANO MAS GENERAL

TAMAÑO DEL GRANO en mm

Conglomerado Cantos y gravas Redondeado 256 - 64

Brecha Fragmentos Liticos Angulares 64-5

Arenisca Arena Redondeado o Angular 5 - 0.074

Limolita Limo Redondeado 0.074 - 0.002

Arcillolita Arcilla Laminar < 0.002

¡2

Para emplear las rocas sedimentarias como material de construcción hay que tener en cuenta:

- se debe determinar el tipo de cementante y la proporción de fragmentos, porque ello determina la calidad y la rentabilidad.

- la mayor uniformidad en el tamaño de las partículas disminuye su resistencia.

- al aumentar el redondeamiento de las partículas disminuye la resistencia de la roca.

Rocas Metamórficas

Se generan a partir de una recristalización parcial o total de las rocas ígneas, sedimentarias y aún metamórficas, proceso que ocurre cuando las condiciones físico-químicas lo permiten dependiendo de la temperatura, presión y presencia de fluidos químicamente activos tales como líquidos calientes, vapores y gases.

Cuando una de las condiciones a que ha estado sometida una masa rocosa es la presión se desarrolla una orientación preferencial de algunos o todos sus componentes conocida como foliación o bandeamiento.

El metamorfismo crea una cementación, entrabamiento y recristalización de los minerales ocasionando una resistencia a la compresión mas alta en la roca metamòrfica que en la sedimentaria.

Al emplear las rocas metamórficas como material de construcción hay que tener en cuenta que:

- la porosidad es mínima en las rocas metamórficas.

- la resistencia será mayor a mayor grado de metamorfismo pero es menor su durabilidad o resistencia a los factores climáticos.

- las rocas con alto contenido de mica o grafito presentan menor resistencia en el sentido paralelo a la esquistosidad.

- la foliación o bandeamiento produce alta resistencia en sentido normal y baja en el sentido paralelo.

- se debe determinar el tipo de cementante y la proporción de fragmentos, porque ellos determinan la calidad y rentabilidad de estas rocas.

- la mayor uniformidad en el tamaño de las partículas disminuye su resistencia; reacciones sucesivas de oxidación, hidratación y combinación con el aluminato de calcio desprendido en la reacción química del cemento forman sulfo aluminato de calcio, que produce la desintegración del concreto, especialmente en regiones cálidas y húmedas.

II

TABLA No. 3. PRINCIPALES ROCAS Y SUS CARACTERÍSTICAS COMO MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN.

ROCA MÉTODO DE

EXCAVACIÓN FRAGMENTACIÓN SUSCEPTIBILIDAD A LA METEORIZACIÓN REQUERIDO

SUSCEPTIBILIDAD A LA METEORIZACIÓN

Granito Diorita

Explosivos Fragmentos irregulares que dependen del uso de los explosivos

Probablemente resistente

Basalto Explosivos Fragmentos irregulares que dependen de las juntas y grietas

Probablemente resistente

Toba Equipo o Explosivos Fragmentos irregulares muchas veces con finos en exceso

Algunas variedades se deterioran rápidamente

Arenisca Equipo o Explosivos En lajas, dependiendo de la estratificación

Según la naturaleza del cementante

Conglomerado Equipo o Explosivos Exceso de finos dependiendo del cementante

Algunas se alteran para formar arenas limosas

Limonita Lutita

Equipo Desde pequeños bloques a lajas

Muchas se desintegran rápidamente para formar arcilla

Caliza Masiva

Explosivos Fragmentos irregulares muchas veces lajas

Las vetas pizarrosas se deterioran, pero las otras son resistentes

Cuarcita Explosivos Fragmentos irregulares muy angulosos

Probablemente Resistente

Pizarras Explosivos Esquisto

Fragmentos irregulares o ajeados, según la foliación

Algunas se deterioran con procesos de humedecimiento y secado

Gnesis Explosivos Fragmentos irregulares muchas veces alargados

Probablemente Resistente

Desechos indusrial o de mina

Equipo Depende del material, pero en la mayofía de los casos es irregular

La mayoría de las variedades (excepto las ígneas de mina) deben considerarse deteriorables.

II

Las micas son minerales presentes en rocas volcánicas sedimentarias y metamórficas. El uso de agregados con estos minerales no es recomendable para concretos hidráulicos, por la posibilidad de alteración con sustancias químicamente activas derivadas de la hidratación del cemento. Cuando están presentes en el agregado fino requieren mayor contenido de agua y por ende de cemento para lograr una determinada resistencia.

Algunos minerales que contienen sulfuro de hierro, como las piritas, pueden presentar reacciones sucesivas de oxidación, hidratación y combinación con el aluminato de calcio desprendido en la reacción química del cemento formando sulfoaluminato de calcio, que provoca la desintegración del concreto especialmente en regiones cálidas y húmeda.

OBTENCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS NATURALES

Los agregados empleados en la construcción pueden obtenerse por la explotación de bancos de material, depósitos de rocas que afloran en la superficie terrestre, o por extracción y clasificación del material que arrastran los ríos.

Nos referiremos en primera instancia a los bancos de material, sin olvidar que las características y condiciones de calidad se aplican por igual a ambos materiales.

Elección de los bancos de material

Los bancos de material se definen como lugares donde aflora la roca.

La ubicación de los bancos de material se debe apoyar en:

- cartografía de la zona. - fotografías aéreas en pares estereoscópicos. - mapas y cortes geológicos. - datos y resultados de trabajos geotécnicos o geofísicos realizados en la zona o sus

alrededores.

Al elegir un banco de material se debe considerar:

- profundidad, espesor y extensión que lo hagan rentable. - clase de material requerido de acuerdo al elemento estructural que se va a construir. - facilidad de acceso al lugar. - distancia de acarreo hasta el sitio de la obra. - derechos de propiedad de la zona donde se encuentra la cantera. - costos de explotación.

La procedencia, el tamaño y la densidad son entre otras muchas, algunas de las formas de clasificar los agregados.

II

Clasificación según su procedencia

En primera instancia los agregados según su procedencia se clasifican en naturales y artificiales.

Agregados naturales

Provienen de la explotación de canteras o son producto del arrastre de los ríos. Según la forma de obtenerse los podemos clasificar como Material de cantera y Material de río. Conviene hacer la distinción porque el material de río al sufrir los efectos de arrastre, adquiere una textura lisa y una forma redondeada que lo diferencian del material de cantera que por el proceso de explotación tiene superficie rugosa y fotma angulosa. Como veremos mas adelante la forma y la textura les dan ventajas y desventajas al emplearsen como agregados del concreto hidráulico o asfáltico.

El material que se obtiene como producto de la trituración de los sobretamaños del material de río, adquiere las características físicas del material de cantera por el proceso de trituración pero conserva las cualidades mecánicas, propias como resistencia al desgaste y al intemperismo, que tenía el material de río que le dio origen.

Agregados artificiales

Estos agregados se obtienen a partir de productos y procesos industriales, tales como arcillas expandidas, escorias de altos hornos, limaduras de hierro, etc. En algunos casos para ciertos tipos de concreto de baja resistencia, se suelen utilizar algunos residuos orgánicos como cascarilla de arroz, de palma, café, etc., mezclados con los agregados naturales para abaratar los costos del concreto y del mortero.

En el país se han realizado numerosas investigaciones utilizando los desperdicios orgánicos o industriales con el objeto de producir un concreto de buenas especificaciones pero relativamente mas barato.

El Instituto Colombiano de Productores del Cemento ICPC posee un banco de investigaciones y presta el servicio de información a quien lo solicita.

Clasificación según su tamaño

La tabla No.4 muestra la clasificación de los agregados según su tamaño.

TABLA No.4. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TAAAAÑO

TAMAÑO DE LA PARTICULA EN mm DENOMINACION CORRIENTE

CLASIFICACION

Pasante del tamiz N° 200 inferior a 0.002 mm Entre 0.002 - 0.074 mm

Arcilla

Limo

Fracción fina o finos

Pasante del tamiz N° 4 y retenido en el tamiz N° 200 Es decir entre 4.76 mm y 0.074 mm

Arena Agregado fino

Retenido en el tamiz N° 4 Entre 4.76 mm y 19.1 mm (N° 4 y 3/4") Entre 19.1 y 50.8 mm (3/4" y 2") Entre 50.8 mm y 152.4 mm (2" y 6") Superior a 152.4 mm (6")

Gravilla Grava Piedra Rajón, Piedra bola

Agregado grueso

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Clasificación según su densidad

Otra forma de clasificar los agregados es según su densidad, es decir la masa por unidad de volumen, incluyendo el volumen de sus vacíos; la importancia de esta clasificación radica en el peso final del producto cuando se emplean estos agregados, por ejemplo, el concreto ligero. Según su densidad los agregados se clasifican en:

ligeros: su densidad está entre 480-1040 kg/m3, por ejemplo: piedra pómez.

normal: entre 1300 y 1600 kg/m3, por ejemplo material de río.

PROPIEDADES

1. Propiedades Químicas

Los agregados conservan la composición mineralógica de la roca que les dio origen; generalmente son inertes ya que no reaccionan químicamente con los demás constituyentes. Sin embargo desde 1946 se ha venido observando una reacción química de algunos agregados con el cemento cuando se emplean dichos agregados en concretos.

Reacción Alcali-Agregado:

Algunos agregados reaccionan con los álcalis del cemento especialmente los agregados silicios y los agregados carbonatados. Los primeros cuando poseen óxidos de silicio en sus formas inestables reaccionan con los hidróxidos alcalinos del cemento, produciéndose un gel que aumenta de volumen a medida que absorbe agua con lo que origina presiones internas en el concreto con la consiguiente expansión, agrietamiento y ruptura de la pasta de cemento. Esta reacción se conoce como Alcali-sílice. Los segundos producen una reacción similar llamada Alcali-carbonato pero es menos frecuente que la Alcali-sílice.

La reactividad potencial de los agregados se detecta mediante el ensayo químico descrito en la norma NTC No.175, que básicamente consiste en determinar las reacciones que ocurren entre el agregado después de triturado y una solución de hidróxido de sodio.

Existen otras pruebas para determinar la afinidad del sílice del agregado y el álcali del cemento, como la descrita en la norma ASTM-C227 llamada prueba de la barra de mortero. En esta prueba se mide la expansión que se desarrolla en pequeñas barras de mortero hechas con agregados finos o con agregados gruesos triturados y almacenados a determinadas condiciones de temperatura y humedad durante un tiempo prolongado, generalmente de tres a seis meses; aunque la prueba es demorada, es suficientemente confiable.

Para determinar la reacción Alcali-Carbonato se usa la prueba descrita en la norma ASTM-C586, conocida como la prueba del cilindro de roca.

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La única reacción química favorable de los agregados se conoce como Epitaxia, la cual mejora la adherencia entre ciertos agregados calizos y la pasta del cemento, a medida que transcurre el tiempo.

2. Propiedades Físicas

Granulometría

La granulometría o gradación se refiere al tamaño de las partículas y al porcentaje o distribución de las mismas en una masa de agregado. Se determina mediante el análisis granulométrico que consiste en hacer pasar una determinada cantidad del agregado a través de una serie de tamices standard, dispuestos de mayor a menor. Los tamices se disponen de acuerdo a la utilización. Así por ejemplo la serie de tamices que se usa para los agregados del concreto se ha escogido de tal forma que la abertura del tamiz esté en relación de 1 a 2 con la abertura del siguiente tamiz.

La operación de tamizado debe realizarse según la norma NTC No.77 en la cual se describe el tamaño de la muestra a ensayar y los procedimientos adecuados para realizar un análisis granulométrico. Los resultados se consignan en una tabla en la que deben aparecer: Peso de la muestra ensayada, peso del material retenido en cada malla, % del material retenido, % retenido acumulado y % que pasa.

Curvas granulométricas

Para una mejor visualización de la distribución del agregado, los resultados de un análisis granulométrico se grafican mediante una curva granulométrica, en la cual aparece sobre las ordenadas, en escala aritmética, el porcentaje que pasa a través de los tamices y sobre las abscisas, en escala logarítmica o en escala aritmética, la abertura de los tamices.

Una curva tendida indica un material bien gradado o con todos los tamaños y corresponde a una gradación densa o cerrada, es decir, los espacios entre partículas son mínimos, no existe ni exceso ni defecto de un tamaño determinado.

En cambio una curva casi vertical indica un material mal gradado, en el que predominan solo unos pocos tamaños y corresponde a una gradación abierta donde aumentan los espacios vacíos.

Parámetros que se obtienen del análisis granulométrico

Además de determinar la distribución de los tamaños y la ausencia o exceso de los mismos dentro de una masa de agregados, de un análisis granulométrico se pueden sacar valores que luego son usados como parámetros en los diseños o como factores de calidad, ellos son:

Tamaño Máximo Se define como la menor abertura del tamiz que permite el paso de la totalidad de la muestra,

índica la dimensión de la partícula más grande que hay en la muestra.

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Tamaño Máximo Nominal Se define como la abertura del tamiz inmediatamente superior a aquél cuyo porcentaje retenido acumulado

es del 15% o más. Indica el tamaño promedio de partículas mas grandes que hay dentro de una masa de agregado.

Por lo general, un análisis granulométrico, el tamaño máximo y el máximo nominal no coinciden. Por lo tanto, en las especificaciones debe indicarse claramente de cual de los dos se trata. Los términos tamaño máximo y tamaño máximo nominal se aplican exclusivamente al agregado grueso.

Módulo de finura Es un valor que permite estimar el grosor o finura de un material; se define como la centésima

parte del número obtenido al sumar los porcentajes retenidos acumulados en los siguientes tamices Icontec empleados al efectuar un análisis granulométrico: No. 100, 50, 30, 16, 8, 4 3/8", 3/4", 1 1/2" y los tamices siguientes cuya relación de abertura sea de 1 a 2.

El uso del módulo de finura se ha restringido al agregado fino y según este módulo las arenas se clasifican en:

Arenas finas Módulo de finura entre 0 .5-1 .5 Arenas medias Módulo de finura entre 1.5-2.5 Arenas gruesas Módulo de finura entre 2.5 - 3.5

Cuando la arena está mezclada con grava se obtienen módulos de finura mayores y a mayor proporción de grava en la arena mayor es el módulo de finura, en este caso la clasificación se hace así:

Arenas finas Módulo de finura entre 2.2 - 2.6 Arenas medias Módulo de finura entre 2 .6-2 .9 Arenas gruesas Módulo de finura entre >2.9

Porcentaje de Finos Se define como el % que pasa el tamiz Icontec No. 200 (0.074 m.m.).

Formas de las partículas del agregado

Para determinar la forma de las partículas en los agregados es necesario definir:

Redondez Se aplica a la forma del filo; si la partícula tiene aristas bien definidas se dice que es angular, si por el

contrario sus aristas están gastadas por la erosión o el rozamiento del agua se habla de partículas redondeadas.

Esfericidad Es función de la relación entre área superficial y volumen. Esta relación es menor en partículas esféricas

incrementándose en partículas planas y alargadas, según la esfericidad las partículas pueden ser esféricas, cúbicas, tetraédricas, laminares y alargadas.

La forma de las partículas se indica con dos términos, aduciendo a su redondez y a su esfericidad. Por ejemplo cúbica redondeada o cúbica angular.

II

En general las gravas de río, glaciares, y conglomerados, así como las arenas de playa o desierto son materiales redondeados, y pueden ser esféricos (cantos rodados) y laminares. En cambio los agregados obtenidos por trituración y los provenientes de suelos residuales son angulares y su forma depende de la naturaleza de la roca y del equipo de trituración; así serán cúbicos, tetraédricos, laminares y alargados.

La norma NTC No. 174 define los términos partícula plana y partícula alargada.

Partícula alargada Es aquella cuya relación entre longitud y anchura es mayor de 1.5 es decir:

i - >1.5 b

donde: L = longitud de la partícula, b = ancho de la partícula.

Partícula plana Es aquella cuya relación entre el espesor y el ancho es menor de 0.5, es decir:

— < 0.5 b

donde: d = espesor de la partícula, b = ancho de la partícula.

Textura Esta propiedad del agregado se deriva indirectamente de la roca madre y es responsable de la

adherencia del agregado y de la fluidez de las mezclas de concreto.

Según la textura superficial podemos decir que el agregado es liso o pulido (material de río) o áspero (material triturado). Esta textura está relacionada con la dureza, forma, tamaño y estructura de la roca original.

Densidad Esta propiedad depende directamente de la roca que dio origen al agregado. La densidad se

define como la relación de peso a volumen de una masa determinada. Pero como las partículas del agregado están compuestas de minerales y espacios o poros que pueden estar vacíos, parcialmente saturados o llenos de agua según la permeabilidad interna, es necesario hacer diferenciación entre los distintos tipos de densidad.

Densidad absoluta Es la relación entre el peso de la masa de agregado y el volumen que ocupan solo sus partículas

sólidas.

II

DA = - Ps Vm-Vv

Ps = peso del material seco. Vm = volumen de la masa. Vv = volumen de vacíos

Densidad nominal Es la relación que existe entre el peso de la masa del agregado y el volumen que ocupan las

partículas del material incluidos los poros no saturables.

DN = — Vm - Vvs

Ps = peso de la muestra seca Vm = volumen ocupado por la muestra Vvs = volumen de los poros saturables.

Densidad aparente Está definida por la relación entre el peso y el volumen de las partículas de ese material incluidos

todos los poros, saturables y no saturables.

Ps Densidad aparente = ——

Vm

donde: Ps = peso seco de la masa Vm = volumen ocupado por la masa.

La norma NTC No. 237 indica la forma de determinar las diferentes densidades del agregado fino y No. 176 la forma de obtener las diferentes densidades para el agregado grueso.

Para el diseño de mezclas de concreto, la densidad que interesa es la densidad aparente, pues con ella se determina el peso del agregado requerido para un volumen unitario de concreto, porque los poros interiores de las partículas van a ocupar un volumen dentro de la masa del concreto y el agua que se aloja dentro de los poros saturables no hace parte del agua del mezclado. Es decir, en una mezcla de concreto el material está saturado (tiene sus espacios jacios llenos de agua), pero está superficialmente seco.

La densidad aparente del agregado depende de su composición mineralógica y de la cantidad de poros que tenga. Por lo general el valor de la densidad aparente está entre 2.30 g/cm3 y 2.8 g/cm3.

II

Porosidad y absorción La porosidad del agregado es una cualidad muy importante, directamente relacionada con la

adherencia y resistencia a la compresión y flexión de las partículas, así como a su comportamiento frente a problemas de congelamiento, deshielo e intemperismo.

La porosidad está asociada a la capacidad de absorción de agua u otro líquido que tienen los agregados, capacidad que depende del número y tamaño de los poros y de la continuidad de los mismos. Según su contenido de humedad, las partículas que conforman un agregado pueden estar en los siguientes estados que muestra la figura No. 3

a) Secado total b) Parcialmente húmedo

c) Saturado y d) Humedad total superficialmente seco

FIGURA No. 3. DIFERENTES ESTADOS DE SATURACIÓN DEL AGREGADO

En el caso 1, el material está seco, es decir, no tiene ni agua de absorción ni agua libre, sólo tiene el agua adsorbida, es decir el agua de constitución mineralógica, estado que se obtiene sólo cuando el material ha estado en el horno a una temperatura de 110 °C durante 24 horas o hasta que tenga peso constante.

En el caso 2 el material tiene alguna humedad, es decir los poros tienen agua absorbida; es el caso del material al medio ambiente.

En el caso 3 el material tiene todos los poros saturados pero está superficialmente seco. Este estado se logra cuando el material ha sido sumergido mínimo 24 horas y se seca superficialmente.

En el caso 4, el material está saturado y posee agua libre que da a las partículas una película brillante.

Para determinar la absorción en agregados finos y gruesos se siguen las indicaciones que aparecen en las normas NTC 237 y 176 respectivamente.

Pss-Ps % absorción x 100

Ps

II

Psss = Peso saturado y superficialmente seco Ps = Peso seco.

Masa unitaria o peso unitario Se define como la relación entre el peso de una muestra de agregado compuesta de varias partículas

y el volumen que ocupan estas partículas agrupadas dentro de un recipiente de volumen conocido. Es decir, el material dentro del recipiente sufre un acomodo de las partículas dejando el menor espacio entre ellas; el mayor peso unitario se tendrá cuando quepa más material dentro del mismo volumen, lo que depende naturalmente de la granulometría, tamaño, forma y textura del agregado.

Existen dos tipos de masa unitaria a saber:

Peso unitario o compactado Se define como el peso compactado del material dividido entre el volumen que ocupa. La determinación

de la masa unitaria compactada se hace según la norma NTC No. 92.

El valor de la masa unitaria compactada se utiliza para determinar el volumen absoluto de agregado grueso en las mezclas de concreto.

Peso unitario suelto Es la relación que existe entre el peso del agregado suelto o en estado normal de reposo y el

volumen que ocupa.

El peso unitario suelto es menor que el peso unitario compactado porque el material en estado suelto ocupa un volumen mayor.

Poro saturable

Poro no saturable

Espacio entre partículas

FIGURA N°4. ESQUEMATIZACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO

II

En el manejo del material se debe tener en cuenta el peso unitario suelto por cuanto el transporte se hace en volumen y en estado suelto, y por lo tanto el volumen del agregado para transportar y almacenar siempre es mayor que el volumen del material colocado y compactado en la obra.

Expansión o abultamiento Conocida también como hinchamiento de la arena, consiste en un aumento de volumen, para un

determinado peso de arena por la presión del agua entre las partículas de arena cuando ésta se encuentra con agua libre. Si el agua libre aumenta de un 5 a un 8%, el abultamiento puede llegar hasta un 20 ó 30%. La expansión puede ser máximo de un 40% para arenas finas y hasta un 20% para arenas gruesas. Cuando se aumenta el contenido de agua libre la expansión disminuye y si la arena está inundada no existe hinchamiento. Conviene tener esto en cuenta en el transporte y almacenamiento de la arena.

3. Propiedades Mecánicas

Resistencia

Al emplear los agregados en obras de ingeniería, tal es el caso de concretos hidráulicos, la resistencia de éstas, se relaciona directamente con la resistencia del agregado, resistencia estrechamente relacionada con la estructura de los granos de la partícula, o con el proceso de trituración y explotación; algunos procedimientos inadecuados induce previamente fallas en las partículas.

Se han desarrollado algunas pruebas para determinar la resistencia del agregado a la trituración, que permiten dar una idea acerca del comportamiento del agregado en el concreto. En la tabla No.5 se dan algunos valores típicos de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad de algunas rocas.

TABLA No. 5. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE Y MÓDULO DE ELASTICIDAD DE ALGUNAS ROCAS.

ROCA RESISTENCIA A LA MÓDULO DE ROCA COMPRESIÓN kg/cin2 ELASTICIDAD kg/cm2xl05

Gabro 150-300 6 - 1 1 Granito 70 - 250 3 - 7 Basalto 100-300 2 - 1 0 Diabasa 60-130 3 - 9 Dolomita 150-250 2 - 8 . 4 Caliza 10-70 1 - 8 . 0 Arenisca 20 0.5-8.6 Lutita 2 0 - 9 0 0.8-3.0 Gnesis 4 0 - 7 0 2 - 6 Mármol 5 0 - 8 0 6 - 9 Cuarcita 3 0 - 5 0 2 .5-10 Esquisto 70 - 200 4 - 7

II

Según su resistencia a la compresión simple, la roca se puede clasificar así:

TABLA No. 6. RESISTENCIA

DESCRIPCIÓN RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE (kg/cm2)

Resistencia muy alta >2250

Resistencia alta 1120-2250

Resistencia media 560- 1120

Resistencia baja 280-560

Resistencia muy baja <280

Como se dijo anteriormente la resistencia de la roca madre se comunica al agregado, aunque debe darse especial cuidado al hecho de que los procesos de explotación y triturado pueden disminuirla.

El módulo de elasticidad del concreto, depende del módulo de elasticidad del agregado.

Tenacidad La tenacidad es la resistencia que ofrece el agregado al impacto, y tiene mucho que ver con el

manejo de los agregados, porque si estos son débiles al impacto pueden alterar su granulometría y por consiguiente la calidad de la obra.

Adherencia Ya sea en el concreto hidráulico o en el concreto asfáltico la adherencia del agregado es una

característica importante, porque la resistencia y durabilidad de estos concretos depende en gran parte del poder de aglutinamiento del agregado con el material cementante (pasta de cemento o asfalto). La adherencia del agregado depende de la forma, textura y tamaño de las partículas.

No existe un método para medir la adherencia de un agregado con el cemento, pero la adherencia de un agregado con el asfalto si puede medirse mediante una norma británica que consiste esencialmente en determinar el grado de amarre del asfalto con los agregados que se van a utilizar en el campo.

Dureza Es la resistencia que ofrece el agregado a la acción del roce y al desgaste diario. Los agregados

empleados en carreteras, y pisos, deben ser especialmente resistentes al desgaste.

» Para determinar esta propiedad se emplea el ensayo de resistencia al desgaste en la máquina de

los Angeles, ensayo descrito en las normas NTC 90 y 98, y que tiene en cuenta la gradación y tamaño del material, por lo que es necesario hacer una granulometría previa con el fin de determinar la gradación del ensayo que mejor represente al agregado.

II

Según la gradación serán los tamaños y pesos de las muestras de agregado que va a ensayarse y la carga abrasiva (número de esferas) y el total de revoluciones a las cuales se somete la muestra.

Se obtiene así un porcentaje de desgaste, que se compara con el valor dado por la especificación. La dureza del agregado depende de su constitución mineralógica y de su procedencia.

Sanidad de los agregados La sanidad de los agregados se refiere a su capacidad para soportar cambios excesivos de volumen

por la acción del intemperismo.

La capacidad del agregado para soportar los cambios de condiciones ambientales depende de su procedencia, granulometría, forma, textura y porosidad.

Para determinar la sanidad de los agregados, se realiza en el laboratorio una prueba, según la norma Icontec 126, que consiste esencialmente en someter los agregados separados por tamaños a la saturación en una solución de sulfato de sodio o sulfato de magnesio y después a un secado en el horno. Estas acciones constituyen un ciclo. Generalmente se efectúan cinco ciclos; al finalizar el último ciclo se elimina el sulfato y, seco el material, se procede a hacer análisis cualitativo y cuantitativo para determinar el porcentaje del agregado no desgastado por la acción del sulfato.

El ensayo pretende reproducir en forma acelerada la acción de los procesos de calentamiento, enfriamiento, humedecimiento, secado, congelamiento y deshielo, pues cuando el agua se encuentra en un poro pequeño (diámetro menor de 4 mieras) no puede salir fácilmente, pues ha aumentado su volumen en un 9% al congelarse y entonces produce presión en el interior de la partícula que puede agrietarla, así el sulfato presente en los poros cristaliza al evaporarse el agua por el secado, creando presiones en el interior de la partícula que pueden equipararse a la acción del congelamiento del agua.

Una baja resistencia del agregado al intemperismo compromete la durabilidad de la obra, que no sólo afecta su aspecto superficial (descascaramiento) sino su estabilidad por agrietamientos internos.

Presencia de Sustancias Perjudiciales

Contenido de arcilla y material con diámetro inferior a 0.074 mm.

Los limos, arcillas y polvos procedentes de la trituración de las rocas con tamaños menores de 0.074 mm de diámetro son perjudiciales si se encuentran en un alto porcentaje en los agregados. La razón radica especialmente en que por ser tamaños menores que los granos del cemento, se encuentran recubriendo los agregados más gruesos impidiendo una buena adherencia entre éstos y la pasta de cemento.

Algunos tipos de arcilla, al entrar en contacto con el agua producen fenómenos de expansión o encogimiento, que generan presiones internas que pueden agrietar la estructura.

II

Por otro lado, la presencia de estas partículas con su incremento de superficie específica aumenta la demanda de agua en las mezclas de concreto y por consiguiente la cantidad de cemento.

El procedimiento para determinar el porcentaje de material que tiene un diámetro menor de 0.074 mm (tamiz No.200) es la granulometría descrita en la norma NTC 78. Para determinar si el material es limo o arcilla se emplean los ensayos de equivalente arena o los límites de Atterberg.

Contenido de materia orgánica

La materia orgánica es producto de la descomposición de los vegetales y sustancias carbonosas, cuya composición química es ácido tánico y sus derivados conocidos con el nombre de humus.

Cuando la presencia de humus es alta, especialmente en las arenas que por su tamaño suelen retener más materia orgánica, se impide total o parcialmente el fraguado del cemento.

Para determinar el contenido de materia orgánica de las arenas, se ejecuta un ensayo cualitativo, según la norma NTC 127, comparando la coloración que produce la muestra de arena al agregarle una solución de hidróxido de sodio al 3%, con una tabla de colores cuyo resultado es un número que indica el color de referencia.

La norma NTC 127 especifica la forma de realizar el ensayo y la NTC 174, especifica el valor que debe dar el ensayo para la aceptación o rechazo de la arena.

La presencia de otras partículas como terrones de arcilla, carbón, madera, lignito, mica, pueden disminuir la resistencia del concreto, o poner en peligro su durabilidad.

CARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES DE LOS AGREGADOS Y SU INFLUENCIA EN LAS OBRAS DE INGENIERÍA

Pavimentos

El pavimento es la superestructura de la obra vial que hace posible el tránsito de los vehículos con la comodidad, seguridad y economía previstas en el proyecto.

Los pavimentos se dividen en flexibles y rígidos, definidos así por las características y estructuración de los materiales que los constituyen.

Los pavimentos flexibles están formados en general por sub-base, base y capa de rodadura. En la base y sub-base se emplean agregados pétreos. La capa de rodadura se fabrica con agregados pétreos y asfalto.

Los agregados utilizados en cada capa deben ser de mejor calidad a medida que se acerca a la superficie, porque los esfuerzos producidos por los vehículos son altos en la capa de rodadura y disminuyen con la profundidad. Estos pavimentos se denominan flexibles porque admiten algunos grados de deformación.

II

Los pavimentos rígidos están compuestos por una sub-base y una losa de concreto que debe absorber los esfuerzos transmitidos por los vehículos, por lo que debe ser resistente a los esfuerzos de flexión y descansar sobre una superficie uniforme, la sub-base, que debe ser de material granular.

En las tablas No.7 y No.8 se esquematizan las funciones que deben cumplir las diferentes capas de los pavimentos y las características de los agregados que se relacionan con ellos.

TABLA No.7. PAVIMENTO FLEXIBLE (S)

NOMBRE DE LA CAPA FUNCIONES PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS AGREGADOS

Capa de Rodadura Recibir y transmitir esfuerzos incluyendo la fricción rueda-superficie. Proveer una superficie impermeable Proporcionar una superficie que ofrezca seguridad y confort Prestar estas funciones durante la vida de servicio

Dureza, desgaste, gradación, densidad, porosidad, limpieza, rugosidad, forma de partículas Gradación

Rugosidad, resistencia al pulimiento Solidez, gradación y absorción

Base y Sub-base Recibir y absorber y transmitir esfuerzos en magnitud controlada

Proporcionar drenaje adecuado Prestar estas funciones durante la vida de servicio

Dureza, desgaste, gradación, densidad, porosidad, limpieza, rugosidad, forma de partículas Gradación Gradación, solidez, absorción

TABLA No. 8. PAVIMENTO RÍGIDO (S)

NOMBRE DE LA CAPA FUNCIONES PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS AGREGADOS

Losa de Concreto Absorber esfuerzos de compresión y flexión

Proporcionar una superficie impermeable, de textura adecuada Absorber esfuerzos, debidos a cambios de temperatura Resistir agentes climáticos

»

Dureza, desgaste, forma de partículas, rugosidad, gradación, densidad, absorción, limpieza Gradación, rugosidad, desgaste, resistencia al pulimiento

Forma de partículas, limpieza, coeficiente de expansión térmica Solidez, porosidad, composición mineralógica.

Sub-base Controlar cambios de volumen, prevenir el bombeo (salida de finos con el agua por las juntas), permitir el drenaje, dar apoyo uniforme a las losas

Gradación, limpieza, dureza, solidez, absorción

II

A continuación se relacionan las principales características de los agregados que determinan la calidad del pavimento.

Granulometria

En la construcción de las diferentes capas del pavimento, la granulometria de los agregados juega un papel primordial en su comportamiento y durabilidad. Una buena gradación implica un mejor acomodamiento de las partículas y una mayor resistencia a los esfuerzos de flexión y compresión. Esto ha llevado a recomendar el uso de determinadas gradaciones según que la estructura a construir sea afirmado, sub-base, base, o carpeta asfáltica. Normalmente, la entidad contratante de una obra especifica la franja granulométrica dentro de la cual debe estar la gradación del agregado o agregados que se van a utilizar.

En las tablas No. 9, No. 10 y No. 11 se dan algunos ejemplos de granulometrías que según el Instituto de Vías INVI AS 96 se deben cumplir cuando se utilizan agregados en la construcción de sub-bases, bases y afirmados.

TABLA No. 9. GRANULOMETRÌA PARA MATERIAL DE SUB-BASE (INVÍAS 1996)

TAMIZ % que pasa 2" 100

1-1/2 70-100 1" 60-100 1/2 50-90 3/8 40-80 N°4 30-70

N°10 20-55 N° 40 10-40

N°200 4-20

TABLA No.10. GRANULOMETRÍAS PARA MATERIAL DE BASE GRANULAR (INVÍAS 1996)

Tamiz % que pasa

Tamiz BG-1 BG-2

1/2" 100 -

1" 70-100 100

3 / 4 " 60-90 70-100

3/8" 45-75 50-80

N° 4 30-60 35-65

N° 10 20-45 20-45

N°40 10-30 10-30

N°200 5-15 5-15

29

TABLA No. l 1. GRANULOMETRIAS PARA AFIRMADOS

Tamiz % que pasa

Tamiz A-í

1 1/2" 100 -

1" - 100 3 /4" 65-100 -

3/8" 45-80 65-100 N° 4 30-65 50-80

N° 10 22-52 33-65 N°40 15-33 20-45

N°200 10-25 10-25

Cuando se requiere cumplir una especificación granulométrica y los materiales que se tienen no la cumplen, es posible mezclarlos con el objeto de que la mezcla, sí reúna las especificaciones dadas, por supuesto la mezcla mas económica es aquella que se logra con el menor número de agregados.

Un procedimiento gráfico para lograr una mezcla de dos agregados que cumpla la granulometría propuesta se describe a continuación:

Se dibuja un gráfico como el que muestra la figura; los ejes verticales izquierdo y derecho, se enumeran en el mismo sentido de 0 a 100 y en ellos se colocan las granulometrías (porcentaje que pasa) de la arena (o uno de los materiales) y de la grava (o el otro agregado). Los ejes superior e inferior se enumeran en sentido inverso, el uno con respecto al otro, y representan el porcentaje que se debe tomar de uno y otro agregado para obtener la mezcla apropiada.

GRAFICA No . l . GRANULOMETRIA DE DOS AGREGADOS

30

Si se escoge el eje superior para el agregado A, la granulometría de este agregado debe colocarse en el eje vertical derecho, y por lo tanto la granulometría del material B ira en el eje vertical izquierdo. Se trazan líneas entre los porcentajes que pasan, para un mismo tamiz. Este gráfico permite conocer la granulometría de cualquier mezcla de esos dos agregados, porque la intersección de la línea recta vertical que corresponde a los porcentajes escogidos, con las rectas oblicuas que corresponden a los diferentes tamices, indican el porcentaje de partículas que pasa por el respectivo tamiz.

Una vez trazadas las líneas oblicuas se unen los porcentajes correspondientes a un mismo tamiz, se proyecta en cada línea de tamiz la especificación que se desea obtener con la mezcla de los dos agregados. Luego se observa, si en el gráfico existe una banda vertical en la cual las líneas de los tamices caigan dentro de la especificación. La línea vertical que corresponde al promedio de esta franja define los porcentajes del material A y del material B que se deben tomar para que la mezcla tenga la granulometría que la especificación requiere.

Si no existe la franja a la cual nos hemos venido refiriendo, indica que con los agregados que se tienen es imposible lograr la especificación granulométrica solicitada.

En el capítulo II cuando se consideren otros métodos para dosificar mezclas de concreto, se tratará el anterior proceso con un ejemplo.

Algunas recomendaciones sobre las características y especificaciones que deben cumplir los agregados utilizados en sub-base, base y afirmado son las siguientes extraídos de INV1AS 96 tabla No. 12.

TABLA No.12. ESPECIFICACIONES PARA MATERIALES DE CARRETERAS

CAPA

PARTICULAS FRACTURADAS

MECANICAMENTE (AGREGADO GRUESO

DESGASTE EN LA MÁQUINA DE DOS

ANGELES

PÉRDIDAS EN ENSAYO DE SOLIDEZ EN

DNDICESDE APLANAMIENTO

Y ALARGAMIENTO

(LAIBO)

C R R ÍNDICE

PLÁSTICO EQUIVALENTE

ARENA CAPA

PARTICULAS FRACTURADAS

MECANICAMENTE (AGREGADO GRUESO

DESGASTE EN LA MÁQUINA DE DOS

ANGELES SULFATO DE seno

SULFATO DE MAGNESIO

DNDICESDE APLANAMIENTO

Y ALARGAMIENTO

(LAIBO)

C R R ÍNDICE

PLÁSTICO EQUIVALENTE

ARENA

Nonna INVIAS E-227 E-218 E-219

E-220 E-220 E-230 E-148 Erl25 E-126

E-133

AFIRMADO 50%máx 12%méx 18%máx 4 - 9

Subbase granulada

50%máx 12%máx 18 %máx 2 0 , 3 0 0 4 0 %

n í a < 6

L L < 2 5 25%rr ín .

Base granular 50%ir in . 40%máx. 12%rab; 18%máx 3 5 % n m 80%ir ín . < 3 3 0 % n í n

31

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SANDINO PARDO, Alejandro; RODRIGUEZ, Carlos Alberto; GÓMEZ CORTÉS, José Gabriel; NARANJO VILARO, Ricardo. Tecnología del concreto. Bogotá. 1988.

II

CAPÍTULO 2

CONCRETO HIDRÁULICO

INTRODUCCIÓN

El concreto hidráulico u hormigón, es una mezcla homogénea de cemento, agua, arena y grava y en algunos casos de aditivos.

Es actualmente el material mas empleado en la industria de la construcción por su duración, resistencia, impermeabilidad, facilidad de producción y economía.

El concreto es una roca fabricada por el hombre, diseñada y producida de acuerdo a normas establecidas para fines y aplicaciones que se requieren en un proyecto determinado y con las características de economía, facilidad de colocación, velocidad de fraguado y apariencia adecuada según su aplicación.

El concreto presenta como las piedras naturales una alta resistencia a la compresión, pero una baja resistencia a la tracción (generalmente es el 10% de su resistencia a los esfuerzos de compresión) por lo cual se refuerza con varillas de acero, para que sean éstas las que soporten tales esfuerzos (concreto armado).

Se ha considerado que en la determinación de la calidad de concreto intervienen aproximadamente 200 variables de las cuales unas son inherentes al diseño y otras al proceso de fabricación; por lo anterior, la dosificación y producción del concreto es un trabajo complejo en el que se deben seguir las normas establecidas respecto a dosificación y calidad del agregado y proceso de fabricación; y en la medida en que se adapten tecnologías foráneas a las condiciones propias de la región, empleando materiales nativos y soluciones autóctonas, se ganará en economía.

HISTORIA DEL CONCRETO HIDRÁULICO

Los orígenes de concreto se remontan a dos siglos A. de C., en Roma, cuando utilizaron mezclas de caliza calcinada, tobas volcánicas y piedras, para construir algunas de las estructuras que hoy todavía subsisten, como el Panteón o Iglesia de Santa María de los Mártires, cuya cúpula, de 44 metros de claro, es de concreto simple; la cúpula está aligerada por medio de casetones. En el siglo 7 de nuestra era, con la caída del Imperio Romano se olvidó su uso. En el siglo XVIII es redescubierto por los ingleses, cuando en 1756, John Smeaton lo utilizó para la reconstrucción del Faro de Edystone, en la costa sur de Inglaterra.

En 1817, Vicat, propuso por primera vez el procedimiento de fabricación del cemento, que en términos generales se sigue utilizando hoy día. Sin embargo fue Joseph Aspdin, quien, en 1824, obtuvo la patente para fabricarlo.

II

El prototipo del cemento moderno fue producido en 1845 por Isaac Johnson, quien por primera vez utilizó una temperatura suficientemente elevada, para formar clinker de la arcilla y la piedra caliza, utilizadas, como materias primas.

Desde 1845, Lambot, comenzó a construir en el Sur de Francia, objetos en que combinaba el concreto y el acero, naciendo así el concreto reforzado.

Sólo en 1861, Francois Coignet en su libro publicado en París expresa por primera vez el papel que corresponde al concreto y al acero como partes del nuevo material.

Joseph Monier fue el primero en darse cuenta de la importancia industrial del concreto reforzado. Tomando sus ideas, se construyó en 1875, el primer puente de concreto reforzado cerca de Chazetet en Francia, con un claro de 16.5 m . Sin embargo, en este país no avanzó el concreto; la patente de Monier fue adquirida por la casa de Wayss, de Berlín, donde se impulsó su desarrollo.

El concreto reforzado se debe fundamentalmente al francés Freyssinet, quien empezó fabricando postes para transmisión de energía eléctrica, a principios de 1933.

Entre 1923 y 1924 se construyó, lo que se cree fue uno de los primeros cascarones, la cúpula del planetario de Jena, de 40 mts de claro y 6 cms de espesor.

La prefabricación de piezas de concreto se inició desde 1896. Hennebique, el difusor del concreto en todo el mundo, fabricaba en serie casetas de señales para los ferrocarriles franceses. En 1939 Pier Luigi Nervi, italiano, construyó un hangar, destruido durante la guerra, de 100 x 40 m , con algunas partes coladas en el lugar, pero la mayoría prefabricadas y unidas con juntas coladas en el lugar. A estas unidades prefabricadas las denominó, ferrocemento.

COMPONENTES DEL CONCRETO

El concreto se fabrica mezclando homogéneamente: cemento, agua, arena y grava. A continuación nos referiremos a cada uno de los componentes, enumerando en cada uno sus funciones dentro del concreto y sus características y cualidades para obtener un concreto de buena calidad.

Cemento

Historia

La historia de los materiales cementantes es tan antigua como la humanidad; el yeso fue utilizado por los egipcios, y los griegos y romanos usaron la cal común y la cal hidráulica. La primera se obtiene al calcinar la piedra caliza y sólo endurece en presencia del bióxido de carbono (C02) contenido en el aire; la segunda se obtiene cuando la piedra caliza contiene impurezas de arcilla y endurece principalmente por la reacción que se produce entre sus elementos constitutivos, bajo los efectos del agua.

Los griegos y los romanos usaron ceniza volcánica que mezclaban con la cal, para obtener un producto de mejor calidad. Estos materiales que mezclados con la cal dan un producto que adquiere

II

consistencia en presencia del agua se llamaron PUZOLANAS, nombre que se deriva de Puzol ciudad que queda en el Golfo de Nápoles, sitio del cual los romanos extraían el material volcánico que mezclaban con la cal. Los griegos la obtenían de la Isla de Santorin.

La era del cemento se inicia en 1750 con John Smeaton quien mezcló cal con arcillas y obtuvo un buen producto que empleó en la reparación del Faro de Eddyston pero su descubrimiento no tuvo mayor trascendencia. En 1824 Joseph Aspdin, conoció los estudios de Smeaton y prosiguió sus investigaciones patentando el "Cemento Portland", material que presentaba un aspecto parecido a unas piedras de construcción extraídas en Portland, ciudad que queda al sur de Inglaterra, de allí su nombre.

Las investigaciones sobre el tema continúan y en 1845 el inglés Isaac Johnson le da a la mezcla la temperatura adecuada para formar el Clinker, producto que después de molido ofrece óptima calidad como cementante y es el que actualmente se usa.

Sólo a finales del siglo pasado Michaelis Le Chatelier y Vicat, presentan las bases de la tecnología del cemento Portland.

En Colombia se inicia la producción de cemento Portland en 1909 con la creación de la fábrica de cementos Samper en Bogotá. Actualmente hay 16 fábricas distribuidas en 10 departamentos.

Definición y composición del cemento Portland

La palabra cemento se emplea para designar a toda sustancia que posea condiciones de pegante cualquiera sea su origen.

El cemento Portland se define, como el producto obtenido al pulverizar el Clinker con adición de yeso.

El Clinker resulta de la calcinación hasta una fusión incipiente de una mezcla debidamente dosificada de materiales síliceos, calcáreos y férricos.

Materias Primas

Los compuestos principales del cemento Portland son:

cal (CA O), sílice (Si 02), alúmina (Al, 03) y óxido de hierro (Fe2 03). Como pocas veces se encuentran en la naturaleza juntos y en las proporciones requeridas, para la fabricación del cemento generalmente se hace necesario mezclar sustancias minerales que los contienen, como calizas por el aporte de cal y las arcillas por el aporte de alúmina y óxido de hierro; en algunas ocasiones es necesario agregar directamente óxido de hierro o arenas silíceas, para ajustar las proporciones de cada compuesto con el fin de obtener reacciones químicas equilibradas. Una tercera sustancia necesaria en la fabricación del cemento, es el yeso hidratado que se adiciona al clinker durante la molienda con el fin de retardar el tiempo de fraguado de la pasta de cemento.

Generalmente, a los cementos disponibles en el mercado les adicionan otras sustancias en la etapa de molienda del clinker, por razones económicas; esas sustancias pueden ser escorias, puzolanas

II

o calizas. Cuando se agregan escorias, se les llama cementos portland siderúrgicos y cuando son puzolanas se dice que el cemento es portland puzolánico.

• Calizas: Rocas de origen sedimentario compuestas por carbonatos cálcicos (Ca C03), formados por procesos químicos u orgánicos, que se encuentran en estado de gran pureza o mezclados con arcillas y minerales de hierro, las de origen químico se forman por precipitación de disoluciones bicarbonatadas o por reacción entre carbonatos amónicos y sulfato càlcico.

• Arcillas: Silicatos alumínicos hidratados amorfos o cristalinos, resultantes de la meteorización particularmente de los feldespatos y micas. Estas se clasifican en los siguientes grupos de minerales:

grupo caolín, representado bajo la siguiente fórmula: (Al203.2Si02.2H20). grupo de la montmorillonita. La fórmula química de la montmorillonita es Al203.4Si02.H20. + nH20. y el grupo ilita que contiene: K20.Mg0.Al,03.Si02,H20, en cantidades variables.

. J .. , : El yeso es un sulfato càlcico cristalizado (CaS04.2H20) abundante en la naturaleza. Se encuentra

en zonas de antiguos lagos o mares interiores, corno resultado de la sedimentación de sulfatas que se hallaban disueltos en el agua.

Las escorias de alto horno son un subproducto que resulta del procesamiento de las rocas ricas en mineral de hierro. Este subproducto o producto no metálico está constituido esencialmente por silicatos, aluminosilicatos de calcio y de otras bases. Las escorias poseen propiedades aglomerantes como el cemento portland, cuando la composición química satisface la siguiente condición:

% CaO+%MgO+%A12Q3 1

%SiO,

Los términos corresponden a los porcentajes en peso.

Otros compuestos presentes en las materias primas

Oxido magnésico

El óxido magnésico se puede encontrar en las calizas como dolomita o en las escorias de alto horno. Este se combina hasta en un 2% en las fases principales del clinker; el exceso ya aparece como MgO (periclasa). La periclasa con el agua se hidrata en una reacción muy lenta, sucediendo cuando las restantes reacciones de endurecimiento del cemento ya han concluido; esta hidratación del MgO lleva consigo un aumento del volumen que puede ocasionar agrietamiento y hasta desintegración del concreto ya endurecido. El máximo admisible es 5 a 6%.

Alcalis Reciben el nombre de álcalis los óxidos de sodio (Na20) y los de potasio (K20) que se encuentran

presentes en las margas y en las arcillas; también pueden ser aportados por las cenizas del carbón, si este se emplea como combustible para la combustión.

II

Los álcalis pueden reaccionar con ciertos agregados que contienen sílice activa, como la tridimita y algunas rocas volcánicas; esta reacción puede dar lugar a fenómenos de expansión por los álcalis, ocasionando la desintegración del concreto.

La expansión por los álcalis se evita en este caso controlando su contenido en el cemento; que no debe ser mayor de 0.6%. En cementos con escorias este porcentaje límite de álcalis puede llegar al 2%, si el contenido de escorias es superior al 65%.

El contenido de álcalis no debe eliminarse porque se ha comprobado que en cementos con ausencia de ellos, la resistencia inicial de la pasta de cemento puede ser anormalmente baja.

Como parte de los álcalis se volatilizan en el horno, la forma de controlar el porcentaje es liberando fracción de los gases desprendidos en el horno.

Azufre El azufre se encuentra en casi todas las materias primas para el cemento, combinado con sulfuro

(pirita y marcasita); además los combustibles también contienen azufre en cantidades muy variables.

El azufre en el horno se gasifica en forma de SOz y se combina con los álcalis, produciendo sulfatos alcalinos gaseosos que se depositan en las partes frías del horno y en la mezcla calizo-arcillosa. El sulfato alcalino combinado en las fases del clinker, es ventajoso para las resistencias iniciales del cemento. Pero altos contenidos de azufre no combinado, pueden dar lugar a emisiones elevadas de S02 o a la formación de costras en el horno que impiden el avance del material.

El cemento necesita una cantidad mínima de sulfato cálcico, en la mayoría de los casos como de yeso molido, para regular su tiempo de fraguado; sin embargo, se ha limitado la máxima cantidad permisible de S03 con el fin de impedir la expansión de los sulfatos. Según las normas NTC los máximos son 3.5 y 4.5%, dependiendo del tipo de cemento.

El aluminato tricálcico del cemento al hidratarse reacciona con los sulfatos formando sulfoaluminato tricálcico, que se hidrata con 32 moléculas de agua; si esta reacción ocurre después de endurecido el concreto se produce agrietamiento y hasta desintegración, porque es expansiva. También puede producir manchas en el concreto.

Cloruros El cloro, presente en las materias primas, en el horno reacciona con el oxígeno y los álcalis

formando cloruros en estado gaseoso, que después se precipitan, depositándose en el horno y creando costras que interrumpen el buen funcionamiento. Esto se impide mediante la desviación de los gases, cuando el contenido del cloro es del orden del 0.015% del peso del crudo.

Antes se acostumbraba agregar cloruros a los cementos de alta resistencia con el fin de elevarla en su etapa inicial; cuando se demostró que los cloruros facilitan la corrosión de las armaduras de acero, se prohibió esta costumbre. El máximo admisible de cloro (Cl) es de 0.1%.

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Fósforo El contenido de fósforo no debe ser superior a 0.5%, por que puede disminuir fuertemente la

resistencia inicial del concreto.

Composición química del cemento

El cemento Portland no es un compuesto puro, porque no se le puede asignar una fórmula química exacta; sin embargo, al estar constituido por cierto número de elementos conocidos, que al combinarse entre sí, lo hacen según las leyes ponderales de la química pura, es posible deducir a partir de su composición elemental toda una serie de relaciones estequiométricas que permiten entender, modificar y controlar sus propiedades tanto durante el proceso de fabricación como al emplearlo como material de construcción.

Químicamente se define el cemento portland como una mezcla de composición heterogénea, finamente pulverizada, cuyos componentes esenciales son:

TABLA No. 13. COMPUESTOS DEL CEMENTO

NOMBRE DEL COMPUESTO FÓRMULA QUÍMICA ABREVIATURA

A) Silicato tricálcico 3 Ca0.Si02 C3S

B) Silicato dicálcico 2 Ca0.Si02 C2S

C) Aluminato tricálcico 3 CaO. A1203 C3A

D) Ferroaluminato tetracálcico 4 Ca0Al20 3Fe 203 c 4 a f

E) Yeso natural CaS04.2H20

F) Óxidos menores de Ca, Mg,

Na, K, Mn, TI, P, Fe

El análisis químico de esta mezcla heterogénea debe indicar una composición determinada, la cual se compara con las normas establecidas.

La norma NTC 321 establece los requisitos químicos que debe cumplir cada tipo de cemento, y la norma NTC 121 indica sus especificaciones físicas respectivamente.

Proceso de fabricación

El proceso de fabricación del cemento portland es el siguiente: se inicia con la extracción y trituración de cada una de las materias primas. Estas deben triturarse al menor tamaño, pero al mismo

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tiempo el proceso debe ser eficiente; a menor tamaño se obtiene mejor homogenización en la mezcla de materias primas, aspecto definitivo para que después se produzca una reacción química completa.

Las etapas siguientes son la dosificación y homogenización de las materias primas. La dosificación depende de la composición química de las materias primas, para lo cual es necesario realizar continuamente análisis químicos que permitan dosificar con la mayor exactitud. A continuación se realiza la mezcla y homogenización de materias primas, para conducir después la mezcla al horno.

Se distinguen tres métodos para realizar las etapas de mezcla, homogenización y conducción al horno: vía húmeda, vía semiseca y vía seca. El método utilizado marca la diferencia entre las fábricas de este producto.

En el método de fabricación por vía húmeda se recurre al agua, para dispersar y suspender en ellas las partículas de cada materia prima separadamente. La dispersión se hace en grandes tanques con sistema mecánico de paletas para el agitado: luego por bombeo se conduce cada sustancia para realizar la mezcla, dosificando la cantidad de cada una de ellas al entrar en un tanque, con características semejantes a las descritas anteriormente. La lechada allí preparada con contenido de agua entre 35 y 50% se conduce por bombeo al horno, de longitud cercana a los 150 m.

El empleo de un método u otro depende de las condiciones en que se encuentre la materia prima en estado natural y de las condiciones climáticas de la zona, por la repercusión en los costos del producto. Además el método determina la longitud del horno, requiriendo mayor longitud cuanto más húmeda ingrese la mezcla.

En el método por vía semiseca se realizan las etapas de dosificación y homogenización con partículas muy finas y secas, empleando corrientes de aire para la movilización y mezcla. Una vez alcanzada la homogenización se agrega agua hasta llegar a una humedad del 12% y en un granulador se forman pastillas de 15 mm de diámetro para llevarlas al horno a la fase de secado y clinkerización

Cuando el método de fabricación es el seco, las etapas de dosificación, homogenización y conducción al horno se efectúan aplicando aire a presión sobre las partículas secas (la humedad no es mayor al 1%). El horno utilizado en este método tiene una longitud de 100 a 110 m.

Después de la homogenización, la mezcla pasa al horno rotatorio, que tiene una ligera inclinación con respecto a la horizontal para facilitar el avance del material en el horno cuando este gira sobre su eje. En el extremo opuesto al de ingreso de la mezcla se encuentra el sistema para calentamiento, con quemadores que trabajan con combustible como ACPM, fuel-oil, gas o carbón pulverizado. La temperatura alcanzada es de 1400 a 1500 °C, requerida para producir una fusión incipiente de la mezcla, que provoca la formación del clinker en forma de esferas de diámetro entre 3 y 30 mm.

El clinker debe ser enfriado rápidamente por medio de aire, produciendo el descenso de temperatura hasta los 70 °C. Este aire caliente es aprovechado dentro del mismo horno para la fase inicial de secado y calentamiento de la mezcla.

Los cambios que suceden en el horno son: Inicialmente el secado de la mezcla si contiene agua, después de la liberación del C02 sigue una serie de reacciones químicas hasta llegar a la fusión del 20 a 30% de la mezcla, combinándose así la cal, la sílice y la alúmina.

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El proceso de fabricación del cemento continúa con la molienda del clinker, agregando durante ella yeso hidratado para retardar el fraguado del cemento.

En la actualidad, con el fin de disminuir costos y mejorar ciertas características, adicionan al clinker durante la molienda otras sustancias, que pueden ser: Caliza, escoria o puzolanas.

Las puzolanas y las escorias reaccionan lentamente, ocasionando un retardo de tiempo para llegar a la resistencia final.

Al añadir caliza se mejoran las cualidades de plasticidad pero se reduce la resistencia a compresión de la pasta o del concreto.

La etapa final del proceso es el empaque en sacos de 50 kilos o el almacenamiento en silo para distribuirlo a granel.

El proceso de fabricación del cemento es estricto para obtener un buen producto; por lo tanto, es necesario ejercer un control permanente en cada etapa para garantizar la calidad. El control estricto debe hacerse en la molienda de materias primas para garantizar una correcta homogenización, en la dosificación de materias primas para obtener el producto deseado, en la homogenización para lograr ia combinación de los elementos, de la temperatura en el horno y su buen funcionamiento para la formación adecuada del clinker, en la velocidad de enfriamiento del clinker para lograr que en la cristalización se formen los compuestos deseados y por último en la adición del yeso y molienda, puesto que estos factores tienen gran influencia en el comportamiento del cemento hidratado.

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Hidratación del cemento

El agua en el cemento hidratado se encuentra en tres formas. Una que esta químicamente combinada, es el agua de hidratación de los compuestos y forma parte de la composición molecular de ellos; otra es el agua que se encuentra en los capilares o poros y la otra es el agua del gel o agua absorbida.

En los cementos portland el agua químicamente combinada después de la hidratación completa es aproximadamente un 25% y la superficie especifica pasa de 3000 a 2000000 cm2/g . El incremento del área superficial por agua combinada en el gel, es una de las razones que permite explicar el incremento de resistencia.

El valor máximo para el agua combinada teóricamente es del orden de 28 + 1% del peso del cemento. Este valor se reduce al combinarse a un 25% y el agua del gel representa un 15%. El agua capilar depende de la solución agua - cemento empleada.

La velocidad de hidratación de los constituyentes del eemento aumenta con la temperatura; sin embargo, un tratamiento prolongado o excesivo de temperatura es peijudicial; no conviene pasar de 80°C.

Los tratamientos térmicos se efectúan con vapor de agua o calor seco. Por el contrario la hidratación se retarda con la disminución de la temperatura. La hidratación de los cementos siderúrgicos y de los

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puzolánicas produce los mismos compuestos que se forman en los cementos portland. La sílice de los puzolanes y las escorias reaccionan con la cal libre y forman silicatos. Las resistencias se alcanzan a edades tardías y a veces superiores a la de los cementos portland para las mismas edades.

Las adiciones de puzolanas se emplean para disminuir el calor de hidratación especialmente cuando se trata de concretos masivos.

El proceso de hidratación es un proceso exotérmico, que hace que los cementos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura; cada compuesto del cemento al hidratarse libera una determinada cantidad de calor en determinado tiempo. La tabla No. 14 indica los principales compuestos del cemento y el calor liberado en determinado tiempo.

TABLA No. 14. CALOR LIBERADO POR LOS COMPUESTOS DEL CEMENTO PARA DIFERENTES EDADES

COMPUESTO CALOR LIBERADO EN Cal/g

COMPUESTO 7 DÍAS 28 DÍAS 6 MESES HIDRATADO

TOTALMENTE C3S 110 120 120 120

C2S 20 45 60 62

C3A 185 205 207 207

C4AF 40 50 70 100

El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, generado después de una hidratación completa a una temperatura dada. La norma NTC No. 117 explica el método para determinar el calor de hidratación del cemento portland.

De la tabla anterior se puede concluir que el C3 A es el que más alto calor de hidratación desarrolla por lo cual su contenido se debe controlar en el cemento. El calor liberado también es función directa de:

- finura del cemento - contenido de C3A y C3S - contenido de álcalis.

y es función inversa de:

- cantidad existente de puzolanas o escorias - contenido de yeso.

Propiedades físicas y mecánicas del cemento Portland

Las propiedades físicas y mecánicas del cemento Portland se miden mediante ensayos realizados en el cemento puro, en la pasta o en el mortero y muestran la calidad del cemento si se comparan los resultados con las especificaciones de la norma NTC 121.

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Peso específico La densidad o peso específico se define como la relación de peso a volumen; su valor varía entre

3,08 a 3,20 g/cm3 para el cemento portland tipo I, pero el cemento que tiene adiciones tiene un peso específico menor porque el contenido de clinker es menor.

El peso específico del cemento no indica la calidad del cemento, pero se emplea en el diseño y control de mezclas de concreto; sin embargo un peso específico bajo y una finura alta indican que el cemento tiene adiciones.

La norma NTC 221 indica el procedimiento para determinar el peso específico del cemento.

Superficie específica (finura) La finura del cemento es una de las propiedades físicas mas importantes del cemento, ya que está

directamente relacionada con la hidratación del mismo.

La hidratación de los granos de cemento ocurre del exterior hacia el interior; luego el área superficial de la partícula de cemento constituye el material de hidratación, y el tamaño de los granos (su finura) tiene gran influencia en la velocidad de hidratación, en el desarrollo de calor, en la retracción y en el aumento de resistencia con la edad.

Cuando el cemento es muy fino, endurece más rápidamente y por lo tanto desarrolla alta resistencia en menor tiempo; sin embargo libera mayor cantidad de calor y por ende aumenta la retracción y la susceptibilidad a la fisuración, además una molienda fina aumenta los costos de producción y hace que el cemento sea mas susceptible a hidratarse con la humedad ambiental, por lo que su vida útil es más corta.

Un grano fino exuda menos que un grano grueso porque retiene mejor el agua al tener mayor superficie de hidratación.

La finura se expresa por el área superficial de las partículas contenidas en un gramo de cemento y se llama superficie específica; se mide en cm2/g .

En el laboratorio la finura se puede medir de dos maneras:

Por tamizado en los tamices No. 100 (149 fi) y No. 200 (79 jo.) siguiendo la norma NTC No. 226, o por tamizado en el tamiz No. 325 (44 p) según la norma NTC 294.

Estos métodos han caído en desuso porque aunque determinan la cantidad de granos más gruesos que el tamiz No. 100 no dicen nada del tamaño de la partículas que están por debajo de los tamices 200 y 325.

La finura se mide en el Laboratorio mediante el aparato de permeabilidad al aire de Blaine, siguiendo la norma NTC No. 33. El método consiste en determinar la permeabilidad del aire de una capa de cemento y se basa en el hecho de que la cantidad y el tamaño de los poros de una muestra de determinada densidad son funciones del tamaño de las partículas y de su distribución granulométrica.

Fraguado del cemento Al mezclar el cemento con el agua, se forma una pasta en estado plástico, en el cual la pasta es

trabajable y moldeable, después de un tiempo que depende de la composición química del cemento, la pasta adquiere rigidez; es conveniente distinguir entre el fraguado y el endurecimiento, pues éste

II

último se refiere al aumento de resistencia de una pasta fraguada. El tiempo que transcurre desde el momento en que se agrega el agua, hasta que la pasta pierde viscosidad y eleva su temperatura se denomina tiempo de "fraguado inicial", e indica que la pasta está semisólida y parcialmente hidratada. Posteriormente la pasta sigue endureciendo hasta que deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, se vuelve rígida y llega al mínimo de temperatura; el tiempo transcurrido desde que se echa el agua hasta que llega al estado descrito anteriormente se denomina "tiempo de fraguado final" e indica que el cemento se encuentra aún más hidratado (no totalmente) y la pasta ya está sólida. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento y la pasta ya fraguada va adquiriendo resistencia.

La determinación de los tiempos de fraguado es arbitraria y da una idea del tiempo disponible para mezclar, transportar, colocar, vibrar y apisonar los concretos y morteros en una obra así como el tiempo necesario para transitar sobre ellos y el tiempo para empezar el curado. La medida de los tiempos de fraguado se hace en el laboratorio siguiendo los métodos de las normas NTC 109 mediante las agujas de Gillmore y la norma NTC 118 mediante al aparato de Vicat.

Falso Fraguado Con este nombre se conoce el endurecimiento prematuro y anormal del cemento que se presenta

dentro de los primeros minutos que siguen a la adición del agua y difiere del fraguado relámpago porque no se presenta desprendimiento de calor; además, al volver a mezclar la pasta sin adicionarle agua se restablece la plasticidad y fragua normalmente sin pérdida de resistencia.

Este fenómeno se debe a las temperaturas altas (mayores de 100°C) en la molienda que ocasiona deshidratación parcial o total del retardador que es el yeso. Si la operación de falso fraguado se presenta en la mezclada del concreto, se debe prolongar el tiempo de mezclado y no debe agregarse más agua porque se altera la relación agua-cemento.

Los factores que más inciden en los tiempos de fraguado son los siguientes:

- Composición química del cemento.

- Finura del cemento; entre más fino sea, es mayor la velocidad de hidratación.

- Mientras mayor sea la cantidad de agua de amasado, dentro de ciertos límites, más rápido es el fraguado.

- A menor temperatura ambiente las reacciones de hidratación son más lentas.

La norma NTC 121 determina los tiempos de fraguado del cemento portland.

Resistencia Mecánica La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que tiene mayor

influencia en los fines estructurales para los cuales se emplea.

Para medir la resistencia mecánica del cemento, se fabrican probetas de mortero, empleando arena normalizada de Otawa con una gradación abierta, compuesta por tres tamaños y con una proporción determinada de 2,75 partes de esta arena por una parte de cemento, utilizando la cantidad de agua necesaria para que el mortero tenga una fluidez entre 110 y 115.

II

La norma NTC 220 especifica el método para determinar la resistencia a la compresión en probetas de mortero. No se mide la compresión en probetas de concreto como sería más lógico puesto que es la mayor y más importante aplicación del cemento, pero existe dificultad en obtener agregados gruesos normalizados.

Retracción y fisuras En condiciones normales la pasta de cemento se contrae al endurecer; la mayor retracción ocurre

en los primeros dos o tres meses de hidratación del cemento. En cementos normales esta retracción es del orden de 0.015%.

Las retracciones se originan cuando los esfuerzos y tensiones internas que se producen en el proceso de fraguado y/o endurecimiento de la pasta de cemento son superiores a la resistencia de la propia masa.

Las retracciones pueden ser debidas a condiciones hidráulicas o a condiciones térmicas.

Las de orden hidráulico son motivadas por la composición mineralógica del cemento, como:

- Alto contenido de silicato tricálcico. - Alto contenido de aluminato tricálcico. - Alto contenido de álcalis. - Fraguado y endurecimiento rápidos. - Bajo contenido de yeso.

Las de orden térmico se deben a;

- Finura del cemento. - Bajo poder de retención de agua por parte del cemento. - Alta dosificación del cemento. - Alto calor de hidratación del cemento.

Cuando las retracciones son grandes pueden producir fisuras; sin embargo, existen causas ajenas al cemento que producen fisuramiento, como:

- Asentamiento o desplazamiento de la propia estructura. - Deformaciones que experimenta el terreno de cimentación, por sobrecarga. - O debidas el medio ambiente, como son: baja humedad relativa, altas temperaturas o vientos

fuertes que producen desecación rápida del concreto fresco.

Clasificación de los cementos Portland

El conocimiento bastante extenso sobre el cemento en cuanto a composición, características y comportamiento permite fabricar cementos con propiedades específicas.

La clasificación utilizada en Colombia se encuentra en la norma NTC 30, basada en las normas ASTM. Es la siguiente:

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• Cemento Portland tipo 1. Es el destinado a obras de hormigón en general, al que no se le exigen propiedades especiales.

• Cemento Portland tipo 1M. Alcanza resistencias superiores a las del tipo 1. • Cemento Portland tipo 2. Es resistente a la acción moderada de sulfatos y el desprendimiento

de calor es menor que en los cementos normales. • Cemento Portland tipo 3. Alcanza alta resistencia inicial. • Cemento Portland tipo 4. El desprendimiento de calor es bajo. • Cemento Portland tipo 5. Ofrece alta resistencia a la acción de los sulfatos. • Cemento Portland Blanco. Se elabora con materias primas seleccionadas que no contienen

óxido de hierro, por eso la coloración. Se usa para decoración.

También figuran 1 A, 1MA, 2A y 3 A que corresponden a los ya indicados con adición de material incorporador de aire.

Las características nombradas en cada tipo de cemento se obtienen variando las proporciones de los compuestos en el clinker y esto se logra partiendo de la dosificación de las materias primas.

A la mayoría de los cementos portland que se producen en el país se les adiciona otras sustancias con fines generalmente económicos. Los materiales adicionados pueden ser calizos, escorias de alto horno o puzolanas.

Agregar calizas al clinker no es conveniente porque reduce la resistencia a la compresión del cemento, aunque ofrece mayor plasticidad durante el proceso inicial de reacción con el agua.

A los cementos que se les adiciona escorias se les llama cemento siderúrgico tipo 5. Por ejemplo, cemento Paz del Río lo fabrica; el uso de ellos se recomienda en obras de concreto, donde se requiera alta resistencia al ataque químico, bajo calor de hidratación y resistencias iniciales no altas. Es el cemento ideal para obras sumergidas en aguas marinas o en contacto con aguas sulfatadas y también para estructuras de concreto de gran masa por presentar baja variación de volumen y por consiguiente menor riesgo de fisuración y agrietamiento.

A los cementos con adición de puzolanas se les llama cementos portland puzolánicos. Las puzolanas al igual que las escorias son resistentes a los sulfatos y desprenden bajo calor de hidratación; la reacción de hidratación es lenta.

Tanto las puzolanas como las escorias contienen sílice en forma reactiva; estos materiales finamente divididos y en presencia de agua reaccionan con el hidróxido de calcio desprendido en la hidratación del cemento, formando compuestos con propiedades cementantes de características similares al cemento portland.

Las resistencias alcanzadas con los cementos siderúrgicos y puzolánicos son tardías con respecto a las obtenidas con los cementos portland.

En la tabla No. 15 se puede observar la composición y algunas propiedades de los diferentes tipos de cemento.

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TABLA No. 15. CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS PORTLAND

CEMENTO COMPOSICIÓN QUÍMICA FINURA BLAINE

cm2/g CEMENTO C3S C2S C3A C4AF

FINURA BLAINE cm2/g

TIPO I 48 27 12 8 Min 2800

TIPO II 40 35 5 13 Min 2800

TIPO III 62 13 9 8 Max 4000

TIPO IV 25 50 5 12 Min 2800

TIPO V 38 37 4 9 Min 2800

El agua

El agua es un componente esencial en las mezclas de concreto y mortero, pues permite que el cemento desarrolle su capacidad ligante. La NTC 3459 habla sobre la calidad del agua en el concreto.

Para cada cuantía de cemento existe una cantidad de agua del total de la agregada que se requiere para la hidratación del cemento; el resto del agua sólo sirve para aumentar la fluidez de la pasta para que cumpla la función de lubricante de los agregados y se pueda obtener la manejabilidad adecuada de las mezclas frescas. El agua adicional es una masa que queda dentro de la mezcla y cuando se fragua el concreto, va a crear porosidad, lo que reduce la resistencia, razón por la que cuando se requiera una mezcla bastante fluida no debe lograrse su fluidez con agua, sino agregando aditivos plastiflcantes.

El agua utilizada en la elaboración del concreto y mortero debe ser apta para el consumo humano, libre de sustancias como aceites, ácidos, sustancias alcalinas y materias orgánicas.

En caso de tener que usar en la dosificación del concreto, agua no potable o de calidad no comprobada, debe hacerse con ella cubos de mortero, que deben tener a los 7 y 28 días un 90% de la resistencia de los morteros que se preparen con agua potable.

Algunas de las sustancias que con mayor frecuencia se encuentran en las aguas y que inciden en la calidad del concreto se estudian a continuación.

- Las aguas que contengan menos de 2.000 p.p.m. de sólidos disueltos generalmente son aptas para hacer concretos; si contiene mas de esta cantidad deben ser ensayadas para determinar sus efectos-sobre la resistencia del concreto.

- Si se registra presencia de carbonatos y bicarbonatos de sodio o de potasio en el agua de la mezcla, estos pueden reaccionar con el cemento produciendo rápido fraguado; en altas concentraciones también disminuyen la resistencia del concreto.

- Un alto contenido de cloruros en el agua de mezclado puede producir corrosión en el acero de refuerzo o en los cables de tensionamiento de un concreto preesforzado.

II

- El agua que contenga hasta 10.000 p.p.m de sulfato de sodio puede ser usada sin problemas para el concreto.

- Las aguas ácidas con PH por debajo de 3 pueden crear problemas en el manejo y deben ser evitadas en lo posible.

- Cuando el agua contiene aceite mineral (petróleo) en concentraciones superiores a 2%, puede reducir la resistencia del concreto en un 20%.

- Cuando la salinidad del agua del mar es menor del 3.5%, se puede utilizar en concreto no reforzado y la resistencia del mismo disminuye en un 12%, pero si la salinidad aumenta al 5% la reducción en la resistencia es del 30%.

En concreto reforzado el agua de mar incrementa el riesgo de corrosión del acero de refuerzo, especialmente en países tropicales y su uso se restringe a situaciones inevitables. En el concreto preesforzado, no se permite el agua del mar debido a que la pequeña sección transversal de los cables, hace que los efectos de la corrosión sea más grave.

hn la tabla N° 16 aparecen las concentraciones de impurezas del agua que pueden ser toleradas y permiten la utilización del agua en las mezclas.

TABLA No. 16. TOLERANCIAS DE CONCENTRACIONES DE IMPUREZAS EN EL AGUA DE MEZCLAS

IMPUREZAS MAXIMA CONCENTRACION TOLERADA

Carbonatas de sodio y de potasio 1.000 ppm Cloruro de sodio 20.000 ppm Cloruro como C1 (concreto preesforzado) 500 ppm Cloruro como C1 (concreto húmedo o con elemento de aluminio, metales similares o galvanizados) 1.000 ppm

Sulfato de sodio 10.000 ppm Sulfato como S04 3.000 ppm

Carbonatas de calcio y magnesio, como ión bicarbonato 400 ppm Cloruro de magnesio 40.000 ppm Sulfato de magnesio 25.000 ppm Cloruro de calcio (por peso de cemento en el concreto) 2% Sales de hierro 40.000 ppm Yodato, fosfato, arsenato y borato de sodio 500 ppm Sulfíto de sodio 100 ppm Acido sulfúrico y ácido clorhídrico 10.000 ppm Ph 6 a 8 Hidróxido de sodio (por peso de cemento en el concreto) 0.5 % Hidróxido de potasio (por peso del cemento en el concreto) 1.2% Azúcar 500 ppm Partículas en suspensión 2.000 ppm Aceite mineral (por peso del cemento en el concreto) 2% Agua con algas 0 Materia orgánica 20 ppm Agua de mar (concentración total de sales para concreto no reforzado) 35.000 ppm

Agua de mar para concreto reforzado o preesforzado No recomendable

II

El agua de curado tiene por objeto mantener el concreto saturado para que se logre la casi total hidratación del cemento, permitiendo el incremento de la resistencia.

Las sustancias presentes en el agua utilizada para el curado pueden producir manchas en el concreto o atacarlo causando su deterioro, dependiendo del tipo de sustancias presentes. Las causas más frecuentes de manchas son: el hierro o la materia orgánica disuelta en el agua.

Agregados

Los agregados ocupan del 70-80% del volumen del concreto, por lo tanto muchas de las características del concreto dependen de las propiedades de los agregados.

Los agregados se estudiaron con detalle en el capítulo I.

Agregado grueso

Función

Teniendo en cuenta que el concreto es una piedra artificial, el agregado grueso es la materia prima para fabricar el concreto. En consecuencia se debe usar la mayor cantidad posible y del tamaño mayor, teniendo en cuenta los requisitos de colocación y resistencia.

Hasta para resistencias de 250 kg/cm2 se debe usar el mayor tamaño posible del agregado grueso; para resistencias mayores investigaciones recientes han demostrado que el menor consumo de cemento para mayor resistencia dada (eficiencia), se obtiene con agregados de menor tamaño.

Se llama eficiencia del cemento a la relación entre la resistencia del concreto y el contenido de cemento.

En concreto de alta resistencia, mientras más alta sea ésta, menor deberá ser el tamaño máximo para que la eficiencia sea máxima.

Para cada resistencia existe un margen estrecho del valor del tamaño máximo por debajo del cual es necesario aumentar el contenido del cemento.

En concretos de baja y mediana resistencia mientras mayor sea el tamaño mayor es la eficiencia.

Características de un buen agregado grueso para concreto

Un buen agregado grueso debe poseer las siguientes características:

- Una buena gradación con tamaños intermedios; la falta de dos ó más tamaños sucesivos puede producir problemas de segregación.

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- Un tamaño máximo adecuado a las condiciones de la estructura.

- Debe evitarse el uso de agregados planos o alargados, ya que además de producir bajas masas unitarias y baja resistencia mecánica, tienen tendencia a colocarse horizontalmente formándose bajo su superficie bolsas de agua cuando ésta sube a la superficie debido a la sedimentación de las partículas sólidas; esta agua almacenada bajo las partículas deja un espacio vacío cuando después del fraguado el agua se evapora, lo cual trae como consecuencia una notable reducción de la resistencia del concreto.

Una adecuada densidad aparente está entre 2.3 y 2.9 g/cm3. Cuanto mayor es su densidad mejor es su calidad y menor su absorción, que oscila entre 1 y 5%.

- Las partículas con formas angulosas producen mezclas ásperas y difíciles de manejar.

- Una superficie rugosa, limpia, sin capa de arcilla.

- No debe contener terrones de arcilla, ni partículas deleznables; generalmente se limita el contenido de finos entre 1 y 3%, para que permita una adecuada adherencia de las partículas y el cemento en las mezclas.

- El agregado grueso debe tener una resistencia al desgaste en la máquina de los ángeles que garantice su dureza. Los límites recomendados son: si el agregado va a ser usado en lozas de concreto o en pavimentos rígidos el desgaste debe ser menor del 35%. Si va a ser usado en otras estructuras el desgaste debe ser menor del 40%.

- Respecto a los resultados del agregado sometido al ensayo de ataque de los sulfatos (sanidad), las especificaciones para los materiales utilizados en todas las obras son: si la solución empleada es sulfato de sodio, la pérdida total en el agregado grueso no debe ser mayor del 12% y si la solución empleada es sulfato de magnesio la pérdida total no debe ser mayor del 18%

- Agregados con partículas esféricas y cúbicas son los más convenientes para concreto, porque tienen mayor resistencia y es menor el consumo de cemento debido al mayor acomodo de las partículas, o sea mayor cantidad de material por unidad de volumen.

Agregado Fino

Función

El agregado fino o arena se usa como llenante, además actúa como lubricante sobre los que ruedan los agregados gruesos dándole manejabilidad al concreto.

*

Una falta de arena se refleja en la aspereza de la mezcla y un exceso de ella demanda mayor cantidad de agua para producir un asentamiento determinado, ya que entre más arena tenga la mezcla se vuelve más cohesiva y al requerir mayor cantidad de agua se necesita mayor cantidad de cemento para conservar una determinada relación agua-cemento.

II

Características de un buen agregado fino para concreto

- Un buen agregado fino al igual que el agregado grueso debe ser bien gradado para que pueda llenar todos los espacios y producir mezclas más compactas.

- La cantidad de agregado fino que pasa los tamices 50 y 100 afecta la manejabilidad, la facilidad para lograr buenos acabados, la textura superficial y la exudación del concreto. Las especificaciones permiten que el porcentaje que pasa por el tamiz No. 50 esté entre el 10 y 30%; se recomienda el límite inferior cuando la colocación es fácil o cuando los acabados se hacen mecánicamente, como en los pavimentos, sin embargo en los pisos de concreto acabados a mano, o cuando se desea una textura superficial tersa, deberá usarse un agregado fino que pase cuando menos el 15% el tamiz 50 y 3% el tamiz No. 100.

- El módulo de finura del agregado fino utilizado en la elaboración de mezclas de concreto, deberá estar entre 2,3 y 3,1 para evitar segregación del agregado grueso cuando la arena es muy fina; cuando la arena es muy gruesa se tienen mezclas ásperas.

- La presencia de materia orgánica en la arena que va a utilizarse en la mezcla de concreto llega a interrumpir parcial o totalmente el proceso de fraguado del cemento.

A continuación se dan los resultados del ensayo colorimétrico sobre contenido de materia orgánica en la arena y su utilización:

Contenido de materia Observaciones orgánica

0 - 1 Arena excelente

1 - 2 Arena que se puede utilizar en concreto de alta resistencia.

2 - 3 Arena que se puede utilizar en concretos de mediana resistencia

3 - 4 Arena que no puede utilizarse en concreto.

4 - 5 Arena demasiado mala.

Si la arena presenta un alto contenido de materia orgánica, se puede lavar o elegir otra, dependiendo del análisis de costos.

Respecto a los resultados del agregado fino sometido al énsayo de los sulfatas las especificaciones son:

Si la solución empleada es sulfato de sodio, la pérdida total no será mayor del 10% y si la solución es sulfato de magnesio la pérdida total no será mayor del 15%

II

CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO

Manejabilidad

La manejabilidad o trabajabilidad es una propiedad del concreto fresco que se define como su capacidad para ser colocado, compactado adecuadamente y para ser terminado sin segregación ni exudación; la manejabilidad va asociada al término plasticidad, definida como la propiedad del concreto fresco que le permite dejarse moldear y cambiar lentamente si se saca del molde.

No debe confundirse la manejabilidad con la consistencia o fluidez, relacionada ésta con el estado de la mezcla seca (dura) o fluida (blanda), es decir, se refiere al grado de humedad de la mezcla.

Dentro de ciertos límites las mezclas fluidas o húmedas son más manejables que las secas, pero dos mezclas que tengan la misma consistencia no son igualmente manejables; para ello deben tener el mismo grado de plasticidad.

Los factores que influyen en la trabajabilidad son:

• El contenido de agua de mezclado, es el principal factor que influye en la manejabilidad del concreto; se expresa en Kg o litros por m3 de concreto.

• La fluidez de la pasta, debido a que para una cantidad determinada de pasta y de agregado, la plasticidad de la mezcla dependerá de las proporciones de cemento y agua en la pasta.

• El contenido de aire, bien sea naturalmente atrapado o adicionado, aumenta la manejabilidad de la mezcla porque las burbujas actúan como balineras de los agregados permitiendo su movilidad.

• La buena gradación de los agregados. • Los agregados gruesos con partículas planas y alargadas o de forma cúbica con superficie

rugosa, disminuyen la manejabilidad de la mezcla. • El bajo contenido de arena en proporción con el contenido de agregado grueso determina una

mezcla poco manejable. Pero si el contenido de arena es elevado hay necesidad de añadir agua o pasta en exceso para que la mezcla sea manejable presentándose también segregación o exudación.

• Algunas condiciones de clima y temperatura pueden alterar la manejabilidad de la mezcla. " Algunas condiciones de producción y colocación del concreto.

Antes de continuar conviene aclarar algunos términos que se han usado con relativa frecuencia, ellos son:

* Segregación: La separación de los materiales que constituyen una mezcla de concreto.

Entre los principales factores que producen segregación están la diferencia en tamaño de las partículas y la mala distribución granulométrica de los agregados. Otras causas se refieren a los inadecuados procesos del concreto: mezclado, transporte, colocación y compactación.

II

La segregación se produce de dos formas: las partículas gruesas tienden a separarse de las otras por acción de la gravedad, esto ocurre generalmente con mezclas secas y poco plásticas. La otra forma es la separación de la pasta (cemento y agua) lo que ocurre con mezclas muy fluidas.

Exudación: Se conoce también como sangrado y consiste en que parte del agua de mezclado tiende a subirse a la superficie del concreto recién colocado o durante el proceso de fraguado.

La exudación puede crear problemas en el concreto; cuando la velocidad de evaporación es menor que la velocidad de exudación, se forma una película de agua que aumenta la relación agua-cemento en la superficie y posteriormente esta zona queda porosa y de baja resistencia al desgaste; pero si la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de exudación se pueden producir grietas de contracción.

La exudación puede ser controlada con aditivos inclusores de aire, cementos más finos y un control del agregado fino.

Medida de manejabilidad: No se conoce ningún método directo para determinar la manejabilidad de una mezcla de concreto. Existen métodos que miden otras propiedades del concreto que se pueden relacionar con su trabajabilidad.

Entre los métodos más simples se encuentran el ensayo de asentamiento, para medir la consistencia o fluidez de una mezcla fresca de concreto con tamaño máximo de agregado grueso inferior a dos pulgadas. Ver figura No. 5.

FIGURA No.5. ENSAYO DE ASENTAMIENTO

II

El ensayo se hace siguiendo la norma NTC 396. Se usa como método para controlar la cantidad de agua cuando ésta no se dosifica sino que se estima en la elaboración de las mezclas especialmente cuando no se hace corrección por humedad de los agregados; también puede reflejar cambios en la granulometría de los agregados, o en las propiedades del cemento; en general es un método de control de calidad del concreto fresco. Si al hacer el ensayo del cono la mezcla se desmorona indica que el concreto no tiene una adecuada plasticidad por lo que el ensayo es una medida indirecta de la manejabilidad del concreto fresco.

Existen otros procedimientos entre los cuales mencionaremos el de la esfera de Kelly, la prueba de remoldeo de Powers y la prueba del Factor de compactación.

Resistencia

El concreto como material estructural se diseña para que tenga una determinada resistencia. La resistencia a la compresión simple es la característica mecánica más importante de un concreto y sp utiliza normalmente para juzgar su calidad. Sin embargo cuando se diseñan pavimentos rígidos y otras losas que se construyen sobre el terreno, el concreto se diseña para que resista esfuerzos de flexión.

Se ha establecido una correlación entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión en un determinado concreto.

Los factores que afectan la resistencia del concreto se pueden dividir en dos. Los primeros tienen que ver con la calidad y cantidad de elementos constitutivos del concreto: agregados, cemento y agua y los segundos a la calidad del proceso del concreto: mezclado, transporte, colocación, compactación y curado; la resistencia está en relación directa con este proceso. En cuanto a la calidad y cantidad de los elementos constitutivos del concreto mencionaremos los siguientes:

• Contenido del cemento: las características del cemento empleado en la mezcla de concreto tiene una gran incidencia en la resistencia del concreto, pues es el elemento más activo de la mezcla. Aunque todos los cementos tienen una buena calidad el incremento de la resistencia con la edad no es el mismo, algunos cementos aumentan su resistencia más rápidamente a edades tempranas.

La cantidad de cemento en la mezcla, es decir su proporción, es decisiva en la resistencia, a medida que se aumenta la cantidad de cementos aumenta la resistencia, sin embargo mezclas en un alto contenido de cemento (por encima de 470 kg por m3 de concreto) tienen un retroceso en su resistencia especialmente cuando tienen tamaños máximos muy grandes. Además se presenta una contracción en la pasta de cemento al pasar del estado plástico al estado endurecido.

• Relación agua-cemento. La relación agua-cemento (A/C) es el factor más importante en la resistencia del concreto. Una determinada relación agua-cemento produce distintas resistencias de acuerdo al tipo de agregado utilizado y al tipo de cemento.

• Influencia de los agregados. La calidad de los agregados es un factor determinante de la resistencia del concreto, las propiedades de los agregados que más influyen en ella son:

II

- Tamaño máximo del agregado grueso.

- La granulometría, materiales bien gradados, producen una mayor densidad.

- La forma y la textura de los agregados que especialmente inciden en la resistencia a la flexión.

- La resistencia y rigidez de las partículas del agregado.

Medida de la resistencia a la compresión

Como ya se dijo la resistencia a la compresión simple es la característica mecánica más importante del concreto; se expresa en términos de esfuerzo en kg/cm2 o en lbs/pul2 (p.s.i) l.p.si = 0.07 kg/cm2 ó en megapascales. 10.197 kg/cm2 = 1 Mpa

10 kg/cm2 « IMpa

Para medir la resistencia a la compresión, se elaboran cilindros testigos de las mezclas que se están usando en la estructura; los cilindros son generalmente de 30 cms de altura por 15 cms de diámetro (12" y 6"); se elaboran en tres capas y a cada capa se le dan 25 golpes con una varilla standard, la norma NTC No.550 indica el procedimiento a seguir en la toma y elaboración de cilindros testigos y la norma NTC No.673 especifica la forma de someterlos a la compresión. Ver figura No.6.

Por considerarlo de gran interés nos referiremos más adelante, a los cuidados en la toma, desmoldeo, curado y ensayo de los cilindros

La prueba de resistencia a la compresión se efectúa generalmente en cilindros con 28 días de fabricados, pero se puede ensayar a edades más tempranas, 3,7, ó 14 o edades más tardías 90 y 120 días.

• Módulo de Elasticidad: Al igual que en otros materiales, la determinación del módulo de elasticidad del concreto es muy importante para el diseño estructural.

II

El valor del módulo de elasticidad no es una constante y es un valor que dependen:

- el tipo de agregado; - la dosificación utilizada; - el contenido del aire; - la velocidad de aplicación de la carga en el ensayo; - la humedad de la muestra en el momento de hacer el ensayo;

Para encontrar el módulo de elasticidad se grafica el esfuerzo contra la deformación unitaria en una curva esfuerzo-deformación del ensayo de compresión, y el módulo de elasticidad es la relación entre el esfuerzo en el campo elástico y su respectiva deformación unitaria. Se determina con la pendiente de la secante trazada desde el origen hasta el punto de la curva en el cual hay una resistencia fe = 0.45 F'c siendo f e la máxima resistencia en el ensayo de compresión.

Los concretos de peso normal tienen un módulo de elasticidad estimado para cálculos como

13.000Jf'c dependiendo de la resistencia.

La relación de poisson, en el concreto de peso normal está comprendida entre 0.15 y 0.25 y depende del tipo de agregado, de la edad y humedad del concreto.

• Resistencia a la flexión: La resistencia a la flexión es de gran aplicación en los proyectos de losas para carreteras y pistas de aeropuertos. La resistencia a la flexión del concreto se determina en vigas prismáticas de 15 x 15 de sección y 50 cm de largo, elaboradas de acuerdo a la norma NTC No. 1377 y para ensayarla se aplica carga en los tercios medios de la luz y el módulo de Rotura se calcula como:

M R = P L

bd2

si la falla ocurre por fuera del tercio medio pero no está separada de él por más de una longitud equivalente al 5% de la luz libre, el módulo de rotura debe ser calculado así:

bd2

si la falla ocurre por fuera del tercio medio de la viga y a una distancia de él mayor al 5% de la luz libre el ensayo debe descartarse.

Si la carga se aplica en el centro de la luz del módulo de rotura será:

3PL MR = 2bd2

II

MR: Módulo de rotura kg/cm2. P: Carga máxima aplicada en kg. L: Luz libre entre apoyos en cm. b: Ancho de la viga en cm. d: Altura de la viga en cm. a: Distancia entre línea de rotura y apoyo más próximo, medido a lo largo del eje longitudinal

déla cara inferior de la viga, en cm.

A medida que aumenta la resistencia a la compresión del concreto también aumenta su resistencia a la flexión, sin embargo la relación no es lineal sino parabólica. El módulo de rotura presenta valores entre el 10 y 20% de la resistencia a la compresión. Una relación aproximada es la siguiente:

MR = K V f c

M R: Módulo de rotura. f 'c: Resistencia a la compresión en kg/cm2

K : Un factor que está entre 2,0 y 2,7. El A.C.I recomienda 2,0.

El ingeniero Josué Gálvis en investigación reciente encontró que para los concretos fabricados en Manizales, se puede emplear con aproximación la siguiente fórmula:

M R 2 8 = 1,3422 x(R28)0 '6135 kg/cm2

Resistencia a la tensión

Es muy difícil determinar la resistencia a la tensión directamente en probetas de concreto por la dificultad de agarre de las mismas, lo que implica que al aplicar esfuerzos de tensión se involucran otros esfuerzos, como el de la compresión al sujetarlas.

Por lo tanto se usa actualmente el método brasilero o de tracción indirecta, el que básicamente consiste en someter los cilindros normalizados a cargas de compresión aplicadas a lo largo del cilindro. La norma NTC No.722 indica el procedimiento de ensayo. La resistencia a la tracción indirecta se calcula como:

tcLD

T: 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. n: 3,1416.

II

3e ha comprobado que esta resistencia T es aproximadamente un 15% más alta que la determinada en ensayos de tracción directa.

Durabilidad

La durabilidad de un concreto es característica que le hace mantener su forma original, su calidad y sus propiedades de servicio a través del tiempo y frente a problemas de clima, ataques químicos o cualquier otro proceso de deterioro.

La durabilidad de un concreto puede verse afectada por causas internas, como su permeabilidad, los materiales constituyentes o cambios de volumen debido a diferentes propiedades térmicas.

La durabilidad de un concreto también se puede ver comprometida por condiciones de exposición

dio ambiente, el cual puede generar deterioro por causas físicas, químicas o mecánicas.

Las principales variables que intervienen en la durabilidad en un concreto son:

A. Las condiciones ambientales: aire, agua, suelos, gases, congelación, ciclos repetidos de humedecimiento y secado, sustancias disueltas en el agua o sustancias dañinas en contacto directo.

B. Las características de los materiales utilizados en la fabricación (cemento, agua, agregados).

Algunos agregados provenientes de rocas blandas o con placas de falla débiles, tales como las lutitas arcillolitas y ciertos materiales micáceos, pueden desintegrarse fácilmente.

C. El grado de permeabilidad del concreto que depende de:

- la porosidad de la pasta de cemento.

- la porosidad de los agregados.

- de la estructura y distribución de los poros.

- de la relación agua-cemento.

- de la eficiencia en la compactación del concreto para eliminar las burbujas de aire atrapado.

- del tiempo de curado y del proceso seguido en la mezcla y su posterior colocación.

- del espesor del concreto.

D. Las condiciones de servicio (deterioro por circulación de equipos mecánicos o personas).

t E. El mantenimiento o conservación que se de a la estructura.

La mejor forma de proteger el concreto ante condiciones ambientales, es fabricarlo impermeable y utilizando aditivos inclusores de aire si va a estar expuesto a períodos de congelación y descongelación.

II

Para obtener concretos impermeables debe utilizarse bajas relaciones agua-cemento y dar un prolongado curado.

La inclusión de aire mediante aditivos mejora la manejabilidad, permitiendo trabajar con relaciones agua-cemento más bajas lo que aumenta la impermeabilidad.

Si el concreto va estar expuesto al diseñar las mezclas la relación agua-cemento que se obtiene para alcanzar la resistencia, debe disminuirse para lograr la impermeabilidad del concreto y con ella su durabilidad.

Para concretos que van a estar expuestos a la acción del agua el Código Colombiano de Construcciones sismoresistentes estipula los valores máximos permisibles de relación agua-cemento, así:

Si el concreto va a estar expuesto al agua dulce, la relación agua-cemento debe ser máximo 0.50.

Si el concreto va a estar expuesto al agua salada la relación agua-cemento debe ser máximo 0.45.

Las sustancias químicas más agresivas con el concreto, son los sulfatos y los ácidos, los sulfatos reaccionan con el aluminato tricálcico del cemento que como ya se dijo producen expansiones que agrietan el concreto; y los ácidos reaccionan con el Ca (OH)2.

Para evitar el deterioro del concreto por acción del medio ambiente es necesario:

• construir concretos impermeables, empleando una relación agua-cemento adecuada.

• diseñar la estructura para que tenga una geometría tal que reduzca al mínimo la captación de agua y que adicionalmente disponga de un buen drenaje.

• recubrir el acero de refuerzo con adecuado espesor, ya que al corroerse el acero induce problemas al concreto que lo llevan a su destrucción;

• No utilizar acelerantes en los lugares no recomendados para ello.

Dentro de las patologías que disminuyen la durabilidad del concreto, podemos citar dos especialmente:

-La Carbonatación es un fenómeno originado por la reacción del dióxido de carbono (C02) contenido en la atmósfera y que al penetrar en el concreto poroso encuentra el hidróxido de calcio (CA(OH)2) contenido en el concreto. Esta reacción disminuye el PH desde 13 que es un valor en el cual se forma una película protectora en el acero de refuerzo, hasta en valor crítico de 9. Hoy en día la lluvia ácida y el incremento en el tráfico favorecen la Carbonatación.

-Los Iones Sulfato (S03), suministrados por aguas residuales, o aguas subterráneas o los suelos, lo que se considera ataque externo, y los aportados por algunos materiales contribuyentes del cemento, ataque interno, reaccionan con el aluminato tricálcico del cemento, produciendo ETRINGITA, que es una solución expansiva, aumentado así el volumen y originando una rotura de la matriz, lo que conduce a pérdida de la resistencia.

II

Resistencia al fuego

El concreto en general posee buenas propiedades de resistencia al fuego, es decir el concreto puede tener un comportamiento satisfactorio y sin emitir gases durante un tiempo relativamente alto. En un incendio es fácil alcanzar los 600°C a los 10' de iniciado y los 1.200°C a los 20 minutos.

Los agregados gruesos, no presentan mayor dilatación hasta los 500 y 600aC, a partir de esta temperatura la dilatación por ejemplo en los basaltos aumenta rápidamente con temperaturas de 800 y 1000°C; en las arcillas expansivas no se observa dilatación a temperaturas menores de 900°C, pero luego se produce una retracción hacia los 1.000°C. Los agregados calcáreos se descomponen a los 900°C produciendo gas carbónico.

El cemento hidratado empieza a sufrir deshidratación a partir de los 150°C iniciando con el aluminato tricálcico y la cal hidratada lo hace a partir de 400 a 500°C.

Un aspecto importante desde el punto de vista del fuego es que el cemento Portland sometido a temperaturas presenta un coeficiente de dilatación negativo a medida que se calienta; luego al enfriarse sigue contrayéndose debido a la deshidratación, lo que explica el porque las estructuras después de un incendio presentan una apariencia normal mientras están calientes, pero al enfriarse pierden la cohesión.

Para el concreto reforzado y el pretensado la temperatura crítica del acero es la que define el límite de la resistencia de la estructura, pues aún cuando el acero funde entre 1.300 y 1.400°C mucho antes pierde su resistencia; a temperaturas de 500°C su resistencia se reduce a la mitad.

Cuando el concreto que protege el refuerzo de un elemento estructural queda expuesto a la acción del fuego, éste introduce altos gradientes de temperatura y las capas superficiales calientes tienden a separarse y descascararse desde la parte interior donde la masa está más fría. Una excesiva humedad en el momento del fuego es la primera causa de descascaramiento; si el concreto está en equilibrio higrométrico con el aire no hay descascaramiento.

Por otra parte el fuego fomenta la formación de grietas en las juntas y sitios que hayan quedado mal compactados y en los planos de la varilla de refuerzo. Al quedar el refuerzo descubierto, conduce el calor y acelera el fuego. Por lo anterior se puede decir que el comportamiento del concreto reforzado frente al fuego es directamente proporcional al espesor del recubrimiento del acero de refuerzo.

Cambios Volumétricos

Entre los cambios volumétricos del concreto que ocurren por el proceso normal de endurecimiento del mismo y que en algunos casos hay que prevenir por que pueden causar grietas están los siguientes:

• asentamiento plástico: Una vez que el concreto ha sido vaciado, los sólidos de la mezcla tienden a asentarse por efecto de la gravedad, desplazando los elementos menos densos. El asentamiento continúa hasta que el concreto se endurece, pero si hay acero u otro obstáculo que impida el libre acomodamiento de la mezcla, se provocan asentamientos diferenciales que ocasionan grietas.

II

• contracción plástica: Es el cambio volumétrico que se presenta en las superficies horizontales mientras el concreto está aún fresco y por lo general generan grietas que aparecen brevemente después de que el brillo del agua desaparece de la superficie del concreto; estas grietas se presentan más fácilmente en climas calientes y secos, pues la principal causa de la aparición de ellas, es la evaporación extremadamente rápida del agua de la superficie del concreto.

• cambios volumétricos en estado endurecido: Después de colocado, el concreto cambia de un estado fluido al de masa rígida pasando por el estado plástico. Después del fraguado final se inicia el proceso de endurecimiento, produciendo en el concreto importantes cambios de volumen. La magnitud de la contracción depende de:

-La proporción del agregado con relación a la pasta; entre mayor cantidad de cemento tenga la mezcla hay mas contracción.

-Los agregados compactos, rugosos y poco absorbentes dan menor contracción al ser empleados en las mezclas de concreto.

-La contracción aumenta en la medida en que sea mayor la superficie de la obra expuesta al aire, como en el caso de muros, losas de piso, etc.

-Cuanto mayor sea la humedad relativa menor será la contracción.

La magnitud de los cambios volumétricos se expresa en unidades de longitud. Los valores de contracción final para concretos normales son del orden de 0.2 a 0.7 mm por metro lineal, la mejor forma de reducir la contracción es reduciendo el agua de mezclado al mínimo compatible con la consistencia y manejabilidad necesarias.

Para concluir, en la tabla No. 17 aparecen relacionadas algunas propiedades de los componentes y sus proporciones, con la influencia que tienen en las diferentes características del concreto.

TABLA No.17. INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES Y DE SUS PROPORCIONES EN LAS CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO

ASPECTO QUE INFLUYE

CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DEL CONCRETO ASPECTO QUE INFLUYE RESISTENCIA DURABILIDAD ESTABILIDAD IMPERMEABILIDAD MANEJAB1LID \D ECONOMÍA

1 X X X X 2 X X X X X 3 X X X X 4 X X 5 X X X X X X 6 X X X X X X 7 X X X X X X

1. Cemento. Propiedades varias. 2. Granulometria de los agregados. 3. Tamaño máximo del agregado grueso. 4. Forma y textora de los agregados. 5. Relación agua-cemento. 6. Relación grava-arena. 7. Consistencia.

II

DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

El diseño de mezclas de concreto tiene por objeto encontrar la dosificación más económica de cemento, agregado grueso y arena para producir un material con la resistencia, manejabilidad, impermeabilidad y durabilidad requeridos por el diseño de la estructura y por el método constructivo a utilizar.

Existen numerosos métodos para dosificar concretos, pero no son métodos exactos sino todos métodos ensayo-error, en los cuales se dosifica la mezcla, se hace una mezcla de prueba y posteriormente se hacen los ajustes por asentamiento o resistencia si son del caso.

Antes de diseñar una mezcla de concreto se debe conocer:

- El asentamiento requerido.

- La resistencia estructural f 'c para la cual se va a diseñar el concreto.

- Las propiedades y características de los agregados, para lo cual se deben realizar los ensayos que ya se estudiaron con detenimiento en el primer capítulo: Granulometría, pesos unitarios sueltos y compactados, pesos específicos saturados y superficialmente secos, absorciones, etc.

- El espaciamiento del acero de refuerzo.

- La menor dimensión de formaleta.

- Espesores de las losas.

- Característica de la obra, en cuanto al proceso del concreto, mezclado, transporte y curado.

- Condiciones ambientales de trabajo.

- Control de calidad, etc.

A continuación se especifican dos métodos: un primer método basado en las granulometrías completas del agregado grueso y del agregado fino y un segundo método recomendado por el American Concrete Institute: A.C.I.

Ya que las curvas para determinar la cuantía del cemento y la relación agua - cemento que traen jstos métodos no corresponden con la naturaleza de los agregados regionales, ni con la calidad del cemento que se consigue comercialmente en el país, las mezclas así diseñadas quedaban con baja resistencia; se hizo necesario encontrar curvas estadísticamente confiables, que satisficieran las lecesidades regionales, para lo cual se emprendió una experimentación con cinco trabajos de grado, :odos siguiendo la metodología del Ingeniero Josué Galvis Ramos en su investigación: Diseños de Mezclas de Concreto y Morteros para la ciudad de Manizales, los mismos agregados e idéntico cemento Portland I) y dirigidos por la autora de este texto. Los trabajos fueron realizados por los estudiantes loy Ingenieros Civiles: Luis Fernando Arias; Harold David Cárdenas y Johan Andrés Morales; Julio üésar Morales y Edwin Evidalio Muñoz; Carlos Mauricio Zuluaga y Carlos Eugenio Vásquez; Víctor 3ugo Coral y Juan Carlos Ospina.

Aunque los trabajos se hicieron utilizando agregados del río Chinchiná, se puede concluir que as curvas pueden utilizarse para cualquier tipo de material de río de similares características.

II

El material grueso del río Chinchiná es en material bien gradado, con un tamaño máximo nominal entre 1" - 2", con una densidad aparente de 2.700 kg/m3 y una absorción entre 0.5 y 1.2%, la arena no contiene materia orgánica.

Método I. Uso de las granulometrías completas de la arena y del agregado grueso

Se basa en el hecho de que para obtener un buen concreto es fundamental tener una buena granulometría de la mezcla arena-grava. Una óptima relación de estos agregados proporciona una masa unitaria máxima, obteniendo así una porosidad mínima y por consiguiente una menor cuantía de cemento.

Esta se logra combinando la arena y la grava en porcentajes óptimos, obtenidos mediante el método para alcanzar una granulometría determinada combinando dos materiales, ya descrito en el capítulo 1, y que aquí aclararemos con un ejemplo de dosificación de mezclas de concreto; la curva granulométrica que se procura obtener al mezclar los dos materiales, es la conocida como Parábola de Fuller.

P = 100 (d/D)1/2

P = Porcentaje de material que pasa por el tamiz de abertura d.

D = Tamaño máximo del agregado.

La gran ventaja de esta curva es su simplicidad, pero para concretos con bajo contenido de cemento, menos de 300 kg/m3 presenta deficiencia en el contenido de arena que puede corregirse aumentando la cantidad.

En la tabla No. 18 aparecen los porcentajes que pasan por los diferentes tamices relacionados con el tamaño máximo del agregado.

TABLA No. l 8. GRADACIONES IDEALES FULLER DE AGREGADOS PARA CONCRETOS

PORCENTAJE QUE PASA TAMAÑO MÁXIMO mm (Pulg.) TAMIZ 76.1 50.8 38.1 25.4 19 12.7 9.51

(3") (2") (11/2") (1") (3/4") (1/2") (3/8") 3 " 100 2 " 8 1 . 6 100 1 Vi" 7 0 . 7 8 6 . 6 100 .0 1" 5 7 . 8 7 0 . 7 8 1 . 6 100 .0

VT 5 0 . 0 6 1 . 2 7 0 . 7 86 .6 100

Vi" 4 0 . 9 5 0 . 0 5 7 . 8 7 0 . 7 8 1 . 6 100 3 / 8 " 3 5 . 4 4 3 . 3 5 0 . 0 6 1 . 2 7 0 . 7 8 7 . 2 100

N ° 4 2 5 . 0 3 0 . 6 3 5 . 0 4 3 . 3 5 0 . 0 6 1 . 2 7 0 . 8

N ° 8 17.7 2 1 . 6 2 5 . 4 3 0 . 6 3 5 . 4 4 3 . 3 5 0 . 0

N ° 1 6 12.5 15.3 17 .7 2 1 . 6 2 5 . 0 3 0 . 6 3 5 . 4

N ° 3 0 8 .8 10.8 12.5 15.3 17.7 2 1 . 6 2 5 . 0

N ° 5 0 6 .2 7 .7 8 .8 10.8 12.5 15.3 17.8

N ° 1 0 0 4 . 4 5 .4 6 .2 7 .7 8 .8 10.8 12 .6

II

Cálculo de las proporciones de los diferentes componentes del concreto

Cuantía de cemento

En la gráfica No.2 se entra con el asentamiento y el tamaño máximo para determinar el contenido de agua en litros por m3 de concreto, y en la gráficas 3 con la resistencia de diseño fcr y el tamaño máximo para determinar la cuantía de cemento.

Cuantía de Arena y agregado grueso

Conocidas las cuantías de cemento y agua pueden determinarse las cantidades de arena y grava si se sabe que el volumen de un m3 de concreto está compuesto de:

Ve + Var + Vp + Vag + Vaire = 1

Ve : Volumen de las partículas de cemento m3/m3.

Var: Volumen de las partículas de arena en m3/m3.

Vp : Volumen de las partículas de grava en m3/m3.

Vag: Volumen de agua en 1/m3.

Vaire: Volumen del aire incluido dentro de la masa del concreto en m3/m3 de concreto el cual tiene un valor de 1,5% del volumen total, cuando no se usan aditivos inclusores de aire.

V (ar + p) = 1 - (Ve + Vag + Vaire). V (ar + p) = 1 - Me + Vag + Vaire)

de

Me = masa del cemento en kg/m3. de = densidad de las partículas de cemento en kg/m3.

Conocido el volumen de las partículas de arena y agregado grueso por m3 de concreto, se puede determinar la masa de cada uno de los dos materiales si se encuentra la mezcla óptima de los mismos, la cual se logra cuando se obtiene la masa unitaria máxima. El procedimiento gráfico es el más práctico.

Un ejemplo de dosificación aclarará los conceptos antes expuestos.

Ejemplo:

Con los siguientes materiales diseñar una mezcla de concreto que tenga un asentamiento de 5 cm y una resistencia a los 28 días de edad de 245 kg/cm2.

A continuación se dan las características de la arena y de la grava con los cuales se va a preparar la mezcla:

II

Línea continua = agregado liso Línea de rayas = agregado angular

Litros pdr metro cúbico

GRAFICO N°2 DETERMINACIÓN CONTENIDO DE AGUA

Tomado de: SANDINO PARDO, Alejandro; RODRIGUEZ, Carlos Alberto; GÓMEZ CORTÉS, José Gabriel; NARANJO VILARO, Ricardo. Tecnología del concreto. Bogotá. 1988.

II

320 340 360 380 400 420 440 460

CONTENIDO DE CEMENTO{Kg/m3)

y = 0.0085X1'3568

R2 = 0,8325 i

Trabajos de Grado GRAFICO N" 3 CURVA ACTUAL DE LA RESISTENCIA A LOS 28 DIAS VS. CONTENIDO DE CEMENTO

y = 0,0033x1'5109

R2 = 0,765

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MAN IZALES

CURVAS REGIONALES

Granulometria % que pasa Tamiz grava are

r 25 mm. 100 3/4" 19 mm. 82 1/2" 12.5 mm. 50 100 3/8" 9.5 mm. 32 99 No. 4 4.8 mm. 2 90 No. 8 2.4 mm. 0 74 No. 16 1.2 mm. 60 No.30 0.6 mm. 48 No. 50 0.3 mm. 32 No. 100 0.15 mm. 14 No.200 0.075 mm. 2,5

Densidad aparente g/cm3 2.60 2.40 Masa unitaria apisonada kg/m3 1700 1480 Masa unitaria suelta kg/m3 1580 1340 Densidad del cemento 3,18 g/cm3

I9. Determinación de la cantidad de cemento y de agua

El tamaño máximo nominal de la grava es de 25 mm y el asentamiento 5 cm luego el agua es de 173 litros por m3 de concreto gráfico No.2.

De la gráfica No.3 se obtiene la cuantía del cemento, para una resistencia fcr de 340 kg/crt. y obtenemos 452 kg de cemento / m3 de concreto.

Volumen de las partículas de cemento: 452/3130(= 0.144 m3/m3. Volumen de agua 0.173 m3/m3. Volumen del aire incluido 0.015 m-'7m3. Volumen de cemento agua y aire 0.316 m3/mJ. Volumen de las partículas de arena y grava 0.668 m3/m3.

29. Determinación de la mezcla óptima de arena y grava

En una cuadrícula como se muestra en la gráfica No.4 se colocan las granulometrías de la arena y de la grava, y la curva de Fuller correspondiente a un tamaño nominal máximo de 25 mm que aparece en la tabla No. 18 como puede verse, el porcentaje de arena es del 42% y el de grava es del 58%.

66

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Gravilla

GRAFICA No.4. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE ARENA Y GRAVA

Densidad de la mezcla de arena y grava = 0.42 x 2.40 + 0.58 x 2.60 = 2,516 = 2516 kg/m3. Masa de la arena y grava = 2516 x 0.668 = 1680.7 kg/m3

Masa de la arena = 1680.7 x 0.42 = 705.9 kg/m3. Masa de la grava = 1680.7 x 0.58 = 974.8 kg/m3.

Arena

3-. Mezcla de prueba

Cuando se hace un diseño, es indispensable efectuar una mezcla de prueba para verificar que los materiales respondan adecuadamente o hacer las correcciones que sean necesarias. Hay muchos factores que pueden alterar los resultados reales. Tanto al hacer la mezcla de prueba como ai utilizar el diseño en la obra es necesario tener en cuenta la humedad de los agregados con el objeto de hacer la corrección por humedad, pues las cantidades de los materiales en el diseño corresponden a materiales saturados y superficialmente secos.

Método 2

El comité ACI 211 recomienda un método para calcular las proporciones en que deben entrar los componentes del concreto para obtener un material con las características deseadas por el calculista de la obra y por las necesidades de la construcción.

Lo trataremos en detalle, porque consideramos que es un método muy preciso y que su empleo constituye una guía para alcanzar más fácilmente combinaciones óptimas, optimización que sin embargo sólo es posible por tanteos y ajustes en mezclas experimentales sucesivas, debidamente controladas.

67

Empleamos curvas experimentales con materiales de la región, pero también aparecen otras tablas y curvas generales.

El método, además del principio básico de la relación agua-cemento, se basa fundamentalmente en las siguientes suposiciones:

1. La trabajabilidad y la consistencia de las mezclas usando un agregado dado quedará aproximadamente constante entre los límites prácticos de contenidos de cemento, si a la vez el agua y el agregado grueso por unidad de volumen de hormigón se mantienen constantes.

2. Las mezclas con diferentes tipos de agregados gruesos del mismo tamaño máximo, tendrán también el mismo grado de plasticidad y trabajabilidad cuando ellas contengan el mismo volumen compactado de agregado grueso.

3. El volumen resultante, o rendimiento de cualquier hormigón es la suma de los volúmenes absolutos de todos los materiales componentes: cemento, agregados y agua.

El método comprende 11 pasos:

Paso 1: Selección de Asentamiento

El asentamiento depende del tipode obra a construir y de la terminación del concreto con vibración o sin ella; éste nos da la trabajabilidad o manejabilidad de la mezcla; en la tabla N°19 se dan algunos asentamientos para obras específicas.

TABLA No. 19. ASENTAMIENTOS RECOMENDADOS PARA CONCRETOS DE DIFERENTES GRADOS DE MANEJABILIDAD

CONSISTENCIA ASENTAMIENTO cm

TIPO DE ESTRUCTURA Y CONDICIONES DE COLOCACIÓN

Muy seca 0 - 2 . 0 Pilotes o vigas prefabricadas de alta resistencia, con vibradores de formaletas

Seca 2.0-3.5 Pavimentos con máquina terminadora vibratoria

Semi-seca 3.5-5.0 Pavimentos con vibradores normales. Fundaciones de concreto simpie Construcciones en masas voluminosas. Losas medianamente reforzadas con vibración.

Media 5.0-10.0 Pavimentos compactados a mano. Losas medianamente reforzadas con mediana compactación, columnas, vigas, fundaciones y muros reforzados con vibración.

Húmeda 10.0-15.0 Revestimiento de túneles, secciones con demasiado refuerzo. Trabajos donde la colocación sea difícil. Normalmente no es apropiado para compactarlo con demasiada vibración

68

Paso 2: Selección del tamaño máximo del agregado

El tamaño máximo debe ser el mayor económicamente disponible y compatible en el tamaño del elemento a construir. En ningún caso podrá exceder de un quinto de la menor dimensión entre los lados de la formaleta, de un tercio del espesor de la losa, ni de las tres cuartas partes del espaciamiento libre entre varillas individuales de refuerzo, haces de varilla o cables pretensados.

El tamaño máximo se fijará de acuerdo a las secciones de la estructura y del material disponible y conviene elegirlo lo mas grande posible por razones de economía, a fin de usar la menor cantidad de cemento, y de calidad, puesto que en igualdad de condiciones, si el hormigón requiere menos contenido de agua su contracción será mas reducida.

Paso 3: Estimación del contenido de agua (A) en litros:

La cantidad de agua por volumen unitario de concreto que se requiera para lograr un asentamiento requerido, depende del tamaño máximo del agregado y la forma de las partículas y de la gradación de los agregados. La tabla No.20, proporciona una estimación del agua necesaria en función del tamaño máximo del agregado y del asentamiento dado, pero según la textura de los agregados, la demanda del agua en la mezcla puede ser mayor o menor, por lo que es necesario primero hacer una mezcla de prueba con el agua tabulada.

Es necesario entender sincmbargo que esta cantidad de agua no limita o influye en la resistencia, ya que no se puede confundir el agua necesaria para darle una trabajabilidad ajustada a las condiciones de obra a la mezcla y la relación agua-cemento que es la fundamental en la dosificación de la mezcla.

Paso 4: Determinación de la Resistencia de Diseño:

El concreto debe dosificarse y producirse para lograr una resistencia de diseño f ' c dada por el calculista. Dada la variabilidad del concreto por la cantidad de parámetros que se involucran en su fabricación, es necesario dosificarlo para una resistencia f cr mayor que la f 'c especificada.

%

El coeficiente de variación V indica el grado de control de calidad. Un coeficiente de variación deJO indica un control de calidad excelente y puede ser usado para diseñar mezclas en el laboratorio, ya que allí se pueden controlar variables como la dosificación y la humedad de los agregados, este coeficiente puede usarse además en obras donde el ingeniero esté vigilante de la dosificación y en general de la producción del concreto.

TABLA No.20. AGUA EN KILOGRAMOS POR METRO CÚBICO DE CONCRETO PARA LOS TAMAÑOS MÁXIMOS DE AGREGADO INDICADOS

1--A S E N T A M I E N T O

(cm) 1 Omni 13inm 2 0 m m 40,iini 50mni 75mni

3 a 5 205 200 185 180 160 155 145

8 a 10 2 2 5 215 200 195 175 170 180

1 5 a 18 2 4 0 2 3 0 2 1 0 205 185 180 170

Contenido de aire % 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 .3

69

Para un control bueno puede usarse un coeficiente de 15, para uno regular de 20 y para uno pobre de mas de 20. Es decir, cada ingeniero puede escoger su coeficiente de variación, atendiendo al control que vaya a ejecutar, pero debe tener en cuenta que a mayor coeficiente de variación habrá mas margen de seguridad en lograr la resistencia de diseño pero menor economía.

En la gráfica No.5 se da la resistencia fcr en función de los diferentes coeficientes de variación para diferentes valores de resistencia de diseño fe. Si no se quiere utilizar el criterio de coeficiente de variación se puede utilizar las siguientes fórmulas:

fcr= f e +70 si f e < 210 kg/cm2

fcr = f e + 85 si 210 < f c < 350 kg/cm2

fcr = fe + 100 si f e > 350 kg/cm2

Sin embargo con un buen criterio y un excelente control de calidad, las mezclas pueden salir más económicas utilizando coeficiente de variación sin sacrificar la resistencia del diseño.

COÉFICIFNTE DE VARIACION

GRAFICA No.5. RESISTENCIA PROMEDIO DE DISEÑO (fcr) PARA DIFERENTES VALORES DE fe Y V

Tomado de INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. ICPC. Curso sobre diseño de mezclas de concreto Medellín.l 980.

70

Paso 5: Selección de la relación agua - cemento (A/C):

La relación agua-cemento requerida se determina no sólo por los requisitos de resistencia, sino también por los factores como durabilidad y propiedades para el acabado.

Puesto que distintos agregados y cemento producen resistencias diferentes con la misma relación agua-cemento debe conocerse la relación entre la resistencia y la relación agua-cemento de los materiales que se usan, la gráfica No.6 elaborada con materiales de río de la región como ya se dijo, permite obtener una adecuada relación agua-cemento. Cuando se tfate de materiales triturados de muy buenas especificaciones se recomienda que el valor leído en la grafica se aumente un poco de acuerdo a la calidad del agregado.

A la curva debe entrarse con la resistencia f 'cr esperada a los 28 días.

Para condiciones severas de exposición, la relación agua-cemento deberá mantenerse baja, aún cuando los requisitos de resistencia puedan cumplirse con un valor mas alto.

Es necesario hacer hincapié que al escoger la relación agua-cemento, deberá hacerse con sumo cuidado, por cuento de esto depende no sólo la resistencia de la mezcla sino también la economía.

i Paso 6: Cálculo del contenido de cemento:

La cantidad de cemento (C) en kilogramo por unidad de volumen de concreto se obtiene de dividir el contenido de agua A entre la relación agua-cemento.

Paso 7: Estimación del contenido de agregado grueso:

Los agregados que tengan esencialmente la misma granulometría y tamaño máximo, producirán un concreto de trabajabilidad satisfactoria cuando se emplea un volumen determinado de agregado grueso, seco y compactado por un volumen unitario de concreto.

Los valores apropiados de este volumen se dan en la tabla No.21 y puede apreciarse que dependen solamente del tamaño máximo y modulo de finura del agregado fino.

El volumen absoluto de agregado grueso por volumen unitario de concreto se obtiene multiplicando el volumen seco y compactado obtenido déla tabla, por la relación entre el peso unitario compactado y el peso específico saturado y superficialmente seco de la grava.

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fcr(MPa) CURVAS REGIONALES

0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 . 0.4 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,58 0,57 0,58 0,59 0,6

\

Fuente: Trabajos de Grado GRÁFICA N° 6. CURVA ACTUAL DE LA RELACIÓN A/C VS. RESISTENCIA A LOS 28 DÍAS

b = R x m

b: Volumen absoluto de agregado grueso por volumen unitario de concreto. R: Volumen seco y compactado del agregado grueso por volumen unitario de concreto (Tabla No.21). m: Relación entre el peso unitario compactado y el peso específico saturado y superficialmente

seco del agregado grueso.

TABLA No.21. VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO POR VOLUMEN UNITARIO DE CONCRETO

TAMAÑO MÁXIMO DE AGREGADO

mm

VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO, SECO Y COMPACTADO CON VARILLA, POR VOLUMEN

UNITARIO DE CONCRETO PARA DIFEREN 1 ES MÓDULOS DE FINURA DE LA ARENA

TAMAÑO MÁXIMO DE AGREGADO

mm 2.40 2.60 2.80 3.0 3.10 4.00

10 0.50 0.48 0.46 0.44 0.39 -

13 0.59 0.57 0.5\5 0.53 0.48 0.30

20 0.66 0.64 0.62 0.60 0.58 0.44

,25 \ 0.71 0.69 0.67 0.65 0.63 0.51

40 0.75 0.73 0.71 0.69 0.68 0.59

50 0.78 0.76 0.74 0.72 0.71 0.64

75 0.81 0.79 0.77 0.75 0.76 0.69

150 0.87 0.85 0.83 0.81 0.82 0.76 f

Tomado deí INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. ICPC. Curso sobre diseño de mezclas de concreto. Medf.llín.l 98Q.

Paso 8: Estimación del contenido del agregado fino:

La cantidad de agregado fino se determina por la diferencia entre el volumen total de la mezcla (lm3) y la suma de los volúmenes de cemento-agua y agregado grueso. Para facilitar el cálculo de las proporciones iniciales y los ajustes posteriores, el agregado fino se expresa como porcentaje con respecto al volumen total de agregados:

P % = Porcentaje de finos C = Contenido de cemento ya calculado A/C = Relación agua-cemento ya calculada.

3.18 gr/cm3 = peso específico del cemento, aquí se debe emplear el del cemento que se usa si se conoce su valor

Paso 9: Cálculo de las proporciones iniciales:

El método mas utilizado para expresar las proporciones de una mezcla de concreto es el indicarlos en forma de relaciones por peso de cemento, agregado fino y agregado grueso, tomado como unidad el cemento, se considera además conveniente colocar antes de las proporciones la relación agua -cemento.

P Ä Ä X 1 0 0 CK

K = Ä - 0 . 3 1 8 - A / C

73

A/C; 1; f; g;

K ü f = ——x Gf (proporción de agregado fino)

100

g = -^í-'-——P>x Gg (proporción de agregado gmeso)

Gf == Peso específico saturado y superficialmente seco de la arena. Gg = Peso específico saturado y superficialmente seco de la grava.

Paso 10: Ajuste por humedad de los agregados:

Debe tenerse en cuenta la humedad de los agregados para pesarlos correctamente. Generalmente, los agregados están húmedos y a su peso seco debe sumarse el peso del agua que contienen, tanto absorbida como superficial.

El agua que va a agregarse a la mezcla debe reducirse o aumentarse en una cantidad igual a la humedad libre de los agregados, esto'es, la humedad natural menos la absorción.

Para poder hace*; esto, es necesario tomar la humedad natural de los agregados antes de hacer la mezcla de prueba, para lo cual deben pesarse húmedos, dejarlos en el horno hasta que tengan peso constante y pesarlos secos.

Paso 11: Ajustes a las mezclas de prueba:

Las proporciones calculadas de la mezcla deben verificarse por medio de ensayos de asentamiento y resistencia hechos en muestras tomadas de la mezcla de prueba en el laboratorio o en el campo; cuando no se cumple con el asentamiento o resistencia requerida, debe hacerse los ajustes necesarios.

a) Ajuste por asentamiento: Cuando al preparar la primera mezcla de prueba, usando la cantidad de agua calculada, no se obtiene el asentamiento requerido es necesario ajustar ia mezcla calculando el agua necesaria para lograrlo, y luego calcular los contenidos de arena, grava y cemento ajustados con las siguientes fórmulas:

C a j _ ( A / C ) ' 1.000 A / C m ^ A / C ) 1 - ( A / C )

» (A/C)1 nueva relación agua-cemento utilizada para la obtención del asentamiento solicitado.

Porcentaje de arena ajustado:

74

Paj = p + A p

Caj

Proporciones ajustadas: A/C; 1, faj; gaj

" J F " J Q F

100

Gaj = Kaj(lOO-paj) 100

Gg

b) Ajuste por resistencia: Una vez obtenido el asentamiento, se elabora la mezcla de prueba necesaria para hacer seis cilindros, 3 para ensayar a los siete días y 3 a los 28 días, también pueden ensayarse a las 24 horas previo curado acelerado; la razón de elaborar 3 cilindros para cada período determinado obedece a que el resultado de un sólo cilindro no es confiable.

Para los ensayos de 24 horas se debe consultar la Norma NTC No. 1513.

Aunque es preferible esperar los 28 días para saber si la mezcla de prueba cumple con la resistencia requerida, también es posible conocer la resistencia probable a los 28 días, conociendo la resistencia a los siete días, empleando las fórmulas:

R28 = R7 + 22y¡R^ (R en psi)

R28 = 3.2 R, + 11 si R7 < 84,5 kg/cm2

R28 = 1.7 R? + 13.7 si R7 > 84,5 kg/c™2

También pueden emplearse gráficas como las 7 y 8 obtenidas con materiales de la región al igual que las gráficas 3 y 6, que permiten conocer la resistencia a los 28 días sabiendo la resistencia a los 7 y a los 14 días.

Si la resistencia obtenida difiere de la requerida, bien por exceso o por defecto, es necesario reajustar la mezcla por resistencia, aumentando o disminuyendo la relación agua-cemento estimada en el paso 5.

RES ISTENCIA A LOS 7 DIAS (MPa)

Fuente: Trabajos de Grado GRÁFICA N° 7. CURVA ACTUAL DE LA RESISTENCIA A LOS 7 DÍAS ' PROYECTADA A LOS 28 DÍAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MAN IZALES

CURVAS REGIONALES 4 0

35

30

o. S

5 25

eo CN CO 3 20 < < o

¡ , 1 5 . co 55 ui ce

10

•

• • •

• •

>

• > < -

•

c

i • y = 2,5079x07

R2 = 0,«794

161

• V

•

10 15 20 25

RES ISTENCIA A L O S 14 DIAS (MPa)

30 35

Fuente: Trabajos de Grado GRÁFICA N° 8. CURVA ACTUAL DE LA RESISTENCIA A LOS 14 DÍAS PROYECTADA A LOS 28 DÍAS

Ejemplo de dosificación de una mezcla de concreto

Materiales

• Cemento • Arena • Grava

Caldas Río Barragán Río Barragán

Especificaciones dadas:

- Asentamiento : 1 1/2" = 3.81 cm - Resistencia de diseño f 'c = 4100 psi = 287 kg/cm2

Propiedades de los Agregados

- Arena: Módulo de finura: 2.7 P.E (S.S.S.) = 2,717 gr/cm3= Gf Absorción = 2% Peso unitario suelto = 1,612 g/cm3 = 1.612 kg/m3

- Grava : Tamaño máximo = 2 1/2" = 6.35 cm Peso específico (S.S.S.) ~ 2.92 gr/cm3 = Gg Absorción = 0.6% Peso unitario suelto = 1,865 g/cm3 = 1865 kg/m3

Peso unitario compactado = 2,007 g/cm3 = 2007 kg/m3 "

Procedimiento de Diseño:

- Paso 1: Selección del asentamiento: El asentamiento ya fue dado en las especificaciones, atendiendo al tipo de obra y es de 3.81 cm. S = 3.81 cm.

- Paso 2: Selección del tamaño máximo: También fue especificado atendiendo al tipo de estructura a construir y de acuerdo al tamaño del elemento u obra para la cual se diseña.TM = 2 1/2" =

- Paso 3: Estimación del agua de la mezcla: En la tabla No.20, con un asentamiento de 3 a 5 cm y un tamaño máximo entre 50 mm y 75 mm interpolando tenemos:

- Paso 4: Determinación de la resistencia de diseño: Para una resistencia estructural de 4100 psi y con un coeficiente de variación de 10, corresponde una resistencia de diseño f cr de 4860 psi, en la gráfica No.5.

6.35 cm.

A = 150 litros por cada m3 de concreto.

78

- Paso 5: Selección de la relación agua-cemento: De la gráfica 6 para una fcr de 340 kg/cm2, correspondiente a 34 Mpa se lee una relación agua-cemento de 0.35.

La curva en mención fue elaborada con agregados del Río Chinchiná.

- Paso 6: Cálculo del contenido de cemento:

a / c

C = 0.35

C = 429 Kg de cemento por m3 de concreto.

- Paso 7: Estimación del contenido de agregado de grueso: De la tabla No.21, con el tamaño máximo del agregado grueso determinado en el paso No.2, y con el módulo de finura de la arena, determinamos R, haciendo una interpolación entre 50 y 75 mm de tamaño máximo y entre 2.6 y 2.8 de módulo de finura.

b = 0.53 m3/m3 de concreto

- Paso 8: Estimación del contenido de agregado fino:

Ck

C k = 1000-0.318 C - A

Ck = 713.4

p _ 713.4-1000x0.53?íl00

713.4 P = 25.71 %

- Paso 9: Cálculo de las proporciones iniciales A/C, a, f, g:

K n f = —— Gf (Proporción del agregado fino)

100

79

1.66x25.71x2.717 100

f = 1.2

K(lOO-p) Gg

100

g = 3.6

Proporciones iniciales: 0.35: 1: 1.2: 3.6

• Proporciones en volumen:

Los pesos unitarios sueltos de los materiales son:

- Arena - Grava - Cemento

3 1612 kg/m 1865 kg/m3

1300 kg/m3

Y las proporciones en volumen serán: 0.35: 1: 0.97: 2.5

- Paso 10: Ajuste por humedad de los agregados:

Humedad natural de la arena : 1.1% Absorción: 2% Humedad natural de la grava : 0.2% Absorción : 0.6% Humedad libre de arena : -0.9% Humedad libre de la grava : -0.4%

Preparación de la mezcla de prueba

Para elaborar 6 cilindros de 6 pulgadas de diámetro y 12 pulgadas de altura se necesitan 90 kg de concreto (15 kg de concreto para cada cilindro).

CORRECCIÓN POR HUMEDAD DE LOS AGREGADOS

MATERIAL PROPORCIONES PESO kg CORRECCION PESO POR HUMEDAD CORREGIDO

Cemento 1 14*63 14.6 Arena 1.2 17.561 - 0 . 1 5 8 17.4 Grava 3.6 52.685 -0 .211 52.5 Agua 0.35 5.124" •!- 0.369 5.5 Total 6.15 90.0 0 90.0

80

Teniendo las proporciones de la mezcla en peso es posible trabajar la mezcla al volumen o por saco de cemento, teniendo en cuenta que las mezcladoras vienen para medio o un saco.

La siguiente tabla No. 22, trae un resumen de estas conversiones:

TABLA No.22. PROPORCIONES ENTRE LOS PESOS, VOLÚMENES ABSOLUTOS Y VOLÚMENES SUELTOS DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA

MATERIALES

AGUA CEMENTO AGREGADO FINO

AGREGADO GRUESO

En peso para 1 Kg de cemento (Kg)

A a = —

C 1 f g

En peso para l m de concreto (Kg) a = — C

C c f.c gC

En volúmenes absolutos para 1 Kg de cemento (Lts)

A a = —

C 0.318 lts— 1 Kg

f Gf

g Gg

En volúmenes absolutos para 1 m de concreto (Lts)

a = — C C

0.318 C n IA», g 7

g-C

En volúmenes sueltos para 1 Kg de cemento (Lts)

A a = —

C - L ( l t s ) = l K g Dc

f

Df

g Dg

En volúmenes sueltos para 1 Lt de cemento (Lts)

A D c c

1 f .Dc

D f

g.Dc

Dg

En volúmenes sueltos para 1 m de concreto (Lts)

A = A c c

C Kg = — lts Dc

f .C i5

D f

f .C ° g

En volúmenes para un bulto de cemento (Lts)

50— c

— lts = 50 Kg Dc

50f D f

50g

Dg

NOTAS:

a) Si hay más de un agregado fino o grueso, cada uno de ellos se tratará separadamente. b) A/C = Relación agua/cemento

c) C = Contenido de cemento en kg/nt3 de mezcla d) G p Gg = Pesos específicos de los agregados fino y grueso.

e) Dc, Df, D = Densidades sueltas del cemento, agregados fino y grueso.

81

PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL CONCRETO

Bajo este nombre se agrupan todas las actividades tendientes a producir un producto de muy buena calidad. Un buen proceso es definitivo en la resistencia y calidad del concreto ya endurecido. Las actividades en el proceso de producción del concreto son:

Mezclado

Proceso por el cual se convierte el agua, el cemento y los agregados en una pasta homogénea.

Hay dos tipos de mezclado, el manual y el mecánico; el primero sólo se recomienda para obras muy pequeñas, debiéndose incrementar el contenido de cemento del diseño en un 10%.

El mezclado mecánico se realiza en mezcladoras; existiendo muchas variedades, según su capacidad y el modo de mezclar, considerando este último parámetro hay dos tipos principales, las de mezclado por gravedad y las de mezclado forzado. Las primeras son las equipos que mas se usan, en todas sus variedades: Fijas o basculantes, de eje horizontal o inclinado, descarga por volteo o por marcha reversible, tambor o aspas fijas o giratorias. Se acostumbra designarlas por su capacidad, así una mezcladora de dos sacos tiene una capacidad de 310 litros de concreto. Es conveniente operar estas mezcladoras lo mas cerca posible de su capacidad nominal, porque su eficiencia se reduce al trabajarlas con poca o demasiada carga.

Las mezcladoras de mezcla forzada suelen denominarse de turbina y se emplean normalmente en la producción de concretos secos; son muy usadas en la industria de los prefabricados.

Antes de iniciar el mezclado se recomienda preparar primero una revoltura de desecho, o incrementar en la primera mezclada la cantidad de cemento en un 10%, para evitar que la primera mezcla resulte muy llena de grava, porque el mortero se queda adherido a la pared de la mezcladora.

El orden de vertido de los materiales en la mezcladora es el siguiente:

a) la mitad del agua requerida; b) luego la arena y el cemento. c) se agrega la grava y el resto del agua.

El tiempo de mezclado debe ser el mínimo necesario para que la mezcla alcance homogeneidad y depende de la capacidad nominal del equipo.

El tiempo de mezclado se cuenta a partir del momento en que todos los materiales se encuentran dentro de la mezcladora.

El tiempo de mezclado, como ya se dijo, varía según el tipo de mezcladora y no es el tiempo empleado, sino el número de revoluciones de la mezcladora el que marca el criterio a seguir para un mezclado eficiente del concreto. Como existe una velocidad de rotación recomendada por el fabricante, el número de revoluciones y el tiempo de mezclado son independientes.

82

Cuando no existen especificaciones dadas por el fabricante el tiempo de mezclado para mezcladora con una capacidad de 0.76 m3 ó menos es de un minuto. Para mezcladoras de mayor capacidad se recomienda incrementar el tiempo en 15 segundos por cada yarda cúbica o fracción de capacidad adicional.

Si sólo se da la velocidad de la mezcladora, el tiempo de mezclado se puede calcular como el necesario para que el tambor complete veinte revoluciones.

Tiempos de mezclado prolongados después de haber obtenido la homogeneidad de la mezcla pueden ser peligrosos, porque pueden reducir la trabajabilidad por pérdida de agua por evaporación; desintegración parcial del agregado por el proceso de continua abrasión a que es sometido, cuya consecuencia, es un exceso de finos en la mezcla.

Transporte

El transporte del concreto desde la mezcladora hasta el lugar de colocación debe ser:

• Rápido, para evitar que se seque y pierda consistencia antes de ser colocado;

• Eficaz, para evitar que se produzca segregación y pérdida de mortero o lechada.

Los medios de transporte que se emplean con mayor frecuencia son:

• carretillas y vagonetas para movilizar volúmenes pequeños de concreto en distancias cortas.

Para lograr la eficiencia con este medio de transporte es necesario habilitar vías de acceso, usar vagonetas con llantas de goma;

• los malacates y montacargas se usan para salvar desniveles y lugares poco accesibles; sólo mueven volúmenes pequeños en distancias reducidas.

• los tubos y canalones se utilizan en obras pequeñas y son fáciles de adaptar. Al utilizar canalones debe evitarse la segregación, dando pendientes adecuadas al canalón que permitan el deslizamiento del concreto. En el extremo de descarga deben colocarse tubos de forma tronco-cónica llamadas trompas de elefante, con el fin de confinar el concreto, reducir su velocidad de caída, obligándolo a que descienda verticalmente dentro de la formaleta y disminuyendo así su altura de caída libre.

• las bandas transportadoras, bombas para concreto y transportadores neumáticos, son equipos especializados para el transporte y colocación del concreto, que mediante una operación adecuada son eficientes pero de costo mas elevado.

Para el transporte del concreto premezclado se usan camiones que generalmente descargan por la parte de atrás. Pueden estar provistos de agitadores que aparte de ayudar en la descarga homogenizan el concreto que tiene una alta tendencia a la segregación como consecuencia de la distribución no uniforme de la mezcla durante la carga y por la vibración del transporte.

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Para elegir el método mas apropiado para el transporte, debe tenerse en cuenta:

- volumen del concreto a transportar; - distancia mínima y la máxima; - consistencia de la mezcla; - tamaño máximo del agregado;

- facilidad de acceso, y medios disponibles para colocar el concreto dentro de la formaleta;

Colocación Consiste en echar el concreto en la formaleta o molde que configura la estructura; debe efectuarse

procurando evitar pérdidas de uniformidad en el material, segregación del mismo y cambios en la posición del refuerzo.

El concreto no debe descender en caída libre, pero si verticalmente, desde el extremo de descarga de los canalones, bandas o tuberías; para reducir la velocidad de caída se deben utilizar tubos cónicos rígidos (trompas de elefante) garantizando que el extremo del tubo se mantenga sumergido dentro del concreto fresco. No debe ser desplazado horizontalmente dentro del área de colocación, debe vaciarse directamente en su sitio. El proceso debe hacerse en forma continua, para evitar juntas que no estaban previstas (juntas frías) y en capas de espesor no superior a 50 cm, que deben compactarse antes de verter la siguiente. El equipo seleccionado para la colocación debe contar con la capacidad suficiente para manejar con eficiencia el concreto en las condiciones mas ventajosas de tal forma que pueda ser compactado en su lugar.

El concreto no debe colocarse cuando existen probabilidades de lluvia o temperatura de congelación a menos que se tenga previsto instalaciones adecuadas contra estos procesos climáticos.

En superficies inclinadas el concreto se coloca primero el de abajo continuando hacia arriba.

Compactación

Se entiende por compactación o consolidación del concreto el conjunto de operaciones mediante las cuales se trata de reducir a un mínimo la cantidad de vacíos, con el objeto de obtener un concreto lo mas denso posible. La importancia de la compactación es evidente, porque el concreto como otros materiales aumenta con la compactación la resistencia mecánica, la resistencia a agentes externos y su durabilidad.

Existen numerosos métodos para lograr la compactación del concreto, cuyo su uso depende de las características del concreto y del tipo de estructura que se vaya a ejecutar, pero el principio es el mismo en todos: disminución de fricción entre los distintos componentes del concreto, entre éste y los refuerzos metálicos y entre el concreto y la formaleta. Los métodos de compactación pueden ser manuales o mecánicos.

La compactación manual se hace con barras, mediante un procedimiento arduo y laborioso que consiste en introducir la barra en el concreto una y otra vez.

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Cuando las mezclas son muy fluidas la acción de la gravedad confiere cierto grado de compactación y no se requiere sino una ligera compactación por varillado.

La compactación mecánica por vibración es el método usado mas ampliamente.

Los equipos vibradores pueden ser:

a) de inmersión, que actúan sumergidos en el concreto; b) externos, que se fijan a la formaleta; c) de superficie, que se emplean apoyados sobre el concreto.

Los de inmersión son los mas aptos y eficaces en diversas condiciones de trabajo.

Los externos y de superficie se usan en pavimentos, elementos prefabricados y en obras donde la mezcla es seca, o en lugares inaccesibles o capas de concreto muy delgadas.

Los vibradores de inmersión mas recomendados son aquellos cuya frecuencia de vibración no es menor de 6000 r.p.m al estar dentro del concreto.

Para hacer la vibración del concreto se debe tener en cuenta:

a) El vibrador debe introducirse y extraerse del concreto lentamente y en dirección completamente vertical y a distancias entre 40 y 75 cms, según el radio de acción del vibrador.

b) El tiempo que el vibrador debe permanecer en el concreto depende de la consistencia de éste, normalmente son suficientes de 5 a 15 segundos. Cuando la superficie del concreto adquiere un brillo por efectos del flujo de la lechada, la vibración ya ha sido suficiente.

c) El exceso de vibración produce segregación.

Acabado

Es el proceso por el cual se logra una apariencia adecuada, es decir, un terminado, para garantizar la geometría de los elementos vaciados y dar al concreto una textura superficial agradable.

El acabado del concreto se obtiene usando una formaleta adecuada, o cuando se trata de superficies libres se realiza manualmente con reglas (boquilleras) o llanas metálicas o de madera.

Curado

Es el conjunto de acciones tendientes a mantener un ambiente que favorezca la hidratación paulatina del cemento, bien sea reteniendo la humedad interior del concreto, o suministrando humedad o protección contra temperaturas extremas.

La resistencia del concreto y su durabilidad sólo se desarrollarán totalmente si se le da un curado suficiente antes de entrar en servicio.

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Es muy importante que después de el transporte y el vaciado del concreto se evite una reducción no deseada en el contenido de humedad de la pasta que ocasione una disminución de hidratación. La pérdida de humedad en esta etapa se manifiesta en la formación de grietas superficiales debido a la contracción por secado. Para evitar esta pérdida de humedad se recomienda en climas cálidos, cubrir el concreto con telas húmedas de estopa, algodón o cabuya.

La hidratación normal del cemento se da así:

a) permanente existencia de agua en cantidad suficiente;

b) conservar la temperatura entre 10 y 40°C.

Para hacer un buen curado, existen infinidad de medios, y es allí donde interviene el ingenio del constructor.

Algunos de los procedimientos son:

Curado con Agua Inundación o inmersión Riego o aspersión Cubrir con materiales saturados como: Telas, costales, tierra, algodón, aserrín, viruta, arena, papel, etc.

Materiales Sellantes Son hojas o membranas sintéticas colocadas sobre el concreto, su utilización es económica, por su menor costo y facilidad de mantener la humedad. Algunos de ellos son: telas plásticas, papel impermeable, compuestos químicos que forman una membrana impermeable de curado.

El tiempo de curado requerido depende de las características del medio y de la dosificación; éste tiempo debe ser mínimo de siete días para el cemento Portland tipo 1. Para obtener un máximo de rendimiento se recomienda mantener el curado hasta que el concreto haya alcanzado una resistencia del 70% de la especificada.

Desencofrado

Antes de quitar la formaleta se debe verificar, mediante el ensayo de cilindros testigos, que el concreto haya alcanzado la resistencia para soportar la carga correspondiente a la etapa de la construcción en que se encuentra.

CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO

El concreto es una mezcla endurecida de materiales heterogéneos que está sujeta a la acción de muchas variables, dependientes de los materiales que lo constituyen y de los métodos seguidos durante los procesos de diseño: dosificación, mezclado, transporte, colocación, compactación, acabado, y curado.

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Sin embargo, las propiedades y características del concreto en estado plástico como endurecido, son predecibles a pesar de su heterogeneidad, mediante una adecuada selección y combinación de sus componentes y de un buen control de calidad.

Un concreto será de buena calidad cuando cumpla las especificaciones para las cuales fue diseñado. Esto se logra si las técnicas y los materiales empleados para producirlo son de buena calidad.

Una calidad deficiente en el concreto que se utiliza representa un riesgo para la estabilidad de la obra.

El control de calidad del concreto al igual que el de cualquier producto se basa en tres actividades:

- control de materias primas;

- supervisión del proceso completo de fabricación;

- verificación total del producto terminado.

En el concreto se requiere de un tiempo después de concluido el proceso para que el producto pueda considerarse terminado, lo que es un inconveniente porque en el lapso de espera correspondiente al período de endurecimiento y adquisición de propiedades, la construcción continua y los datos que se obtienen de la calidad del concreto son extemporáneos para su oportuna aplicación.

Lo anterior, indica que el control de calidad del concreto fresco cobra cada día mas aplicación, porque se puede mejorar la uniformidad del concreto en su elaboración, verificando y ajustando las proporciones de sus componentes.

Las pruebas que mas se utilizan en el control de calidad del concreto fresco son: asentamiento, peso unitario y contenido de aire.

En el concreto endurecido la resistencia a la compresión es el parámetro principal para controlar la calidad del concreto, pero existen otros parámetros igualmente válidos, como: la resistencia a la flexión y la relación agua-cemento.

Para determinar la resistencia a la compresión del concreto puesto en obra, se elaboran cilindros testigos según la Norma NTC No.550, cilindros se elaboran tomando el concreto fresco que se va a vaciar en diferentes partes de la obra y se ensayan a diferentes edades según el uso determinado que se les quiera dar.

La toma de cilindros testigos y la posterior determinación de su resistencia persigue algunos de los siguientes fines:

1. comprobar la dosificación de la mezcla diseñada, para saber si cumple con la resistencia especificada.

2. controlar la calidad: a) ensayos de aceptación del concreto.

b) control interno de producción.

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Los ensayos de aceptación son realizados por la interventoría; estos cilindros son elaborados, curados y ensayados bajo condiciones normales de laboratorio sumergidos en agua con cal y ensayados a los 28 días.

Los cilindros para el control interno de producción son ensayados a edades tempranas con curado acelerado de 24 horas según Norma NTC No. 1513, o a la edad de siete días curados en las mismas condiciones del concreto de la estructura.

Los cilindros para el control interno de producción persiguen dos objetivos:

1. determinar a edades tempranas la resistencia del concreto puesto en obra; 2. determinar el tiempo, necesario para quitar los encofrados o la formaleta, o ponerse en servicio

la estructura.

Existe gran variación en el resultado de las resistencias de los cilindros testigos, lo que obedece a factores como: la variación en las características del concreto producido, que puede ser debida a los cambios en los agregados, o en la dosificación, etc, o a variaciones inherentes a la prueba de los cilindros. Se ha llegado a establecer que existen 60 variables que pueden incidir en la resistencia de un cilindro de concreto, estos se indican a continuación en la tabla No.23.

TABLA No.23. CAUSAS DE ERROR EN LA OBTENCIÓN DE RESULTADOS DE ENSAYO DE PROBETAS MOLDEADAS DE HORMIGÓN

EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA FASE CAUSA FASE CAUSA

AUMENTA DISMINUYE 1. Hormigonera o camión hormigonera que no amase X X

AMASADO uniformemente, bien por defecto del equipo o por carga excesiva. 2. Toma realizada al principio o final de la descarga, en X período de segregación de vertido. 3. Muestra no realizada por mezcla de las distintas X X porciones previstas.

TOMA DE MUESTRA

4. Muestra vertida en recipiente con agua o sucio, o X TOMA DE MUESTRA tomada bajo lluvia fuerte.

5. Muestra vertida en recipiente excesivamente caliente. 6. Reamasado escaso o excesivo de la muestra. 7. Tiempo excesivo (más de 15 min) empleado en la preparación de la muestra.

X

X X

8. Empleo de moldes de diámetro inferior al triple del X tamaño máximo del árido. 9. Moldes no herméticos X 10. Moldes manchados con sustancias perjudiciales X 11. No seguir el procedimiento inadecuado de tipo o X X duración de la compactación, para la consistencia y el tipo árido del hormigón muestreado.

FABRICACIÓN 12.Empleo de un procedimiento inadecuado de tipo o X X FABRICACIÓN duración de la compactación, para la consistencia o el tipo árido del hormigón muestreado 13. Enrase deficiente de la última tongada y disposición de una delgada capa de enrase de hormigón débilmente compactado.

X

14. Empleo de barra de picado con la punta sin X X redondear. 15. Tiempo excesivo de fabricación (más de 15 min) X

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EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA FASE CAUSA FASE CAUSA

AUMENTA DISMINUYE 16. Fabricación bajo lluvia X 17. No impedir la evaporación durante el tiempo que X transcurre entre la fabricación de las probetas y su traslado a la cámara estándar del laboratorio.

FABRICACIÓN 18. Mover o golpear los moldes durante las primeras 24 X FABRICACIÓN horas a partir de la fabricación de las probetas. 19. Temperatura inadecuada durante el tiempo que X X transcurre entre la fabricación de las probetas y su traslado a la cámara estándar del laboratorio. 20. Desmoldeo prematuro de las probetas. X 21. Transporte a corta edad X X

TRANSPORE AL 22. Equivocación en la redacción de la etiqueta X X

LABORATORIO 23. Desecación durante el transporte X LABORATORIO 24. Temperaturas extremas durante el transporte X X 25. Daños por manejo inadecuado X 26. Error en el marcado de probetas X X 27. Cámara fuera de límites de temperatura (20°C+2°C) X X

CURADO EN 28. Cámara por debajo del límite mínimo de humedad X X CÁMARA relativa (95%)

29. Apoyo por alguna cara en superficies que impidan X el humedecimiento de la probeta

CVTP A Pr'lÓM 30. Extracción más de 3 horas antes de la rotura X EA 1 IvrtV^LlUI"! D F T A T Á M A R A 31. Conservación en ambiente excesivamente seco X 1 ' 1.. i... \ V / \ . v 1,' \ 1 \ / A

hasta el momento del ensayo 32. No refrentar X 33. Refrentado con material inadecuado X X 34. Refrentado con proceso inadecuado X

T? T7T7T? J.VT A T̂ íCí 35. Planeidad del refrentado fuera de tolerancias X l\ I t \ 1. 1 ALHJ 36. Ángulo de cualquier cara con el eje de la probeta X fuera de tolerancia 37. Diámetro de la probeta fuera de tolerancias X X

38. Error en la fecha de ensayo X X 39. Ensayo con el refrenado insuficientemente X endurecido 40. Prensa descorregida X X 41. Interposición de cuerpos extraños entre los platos X de la prensa y la probeta

ENSAYO 42. Platos dañados X 43. Defectuoso centrado de la probeta en la prensa X 44. Error en la colocación de la esfera correspondiente X X a la escala de ensayo empleada en la prensa 45. Velocidad de ensayo fuera de Normas X X 46. Error de lectura de la carga de rotura X X 47. Error de anotación de la carga de rotura X X

REDACCION DEL INFORME 48. Error en el cálculo de la tensión de rotura X X DE 49. Errores de redacción en el certificado de ensayo X X RESULTADOS

T

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE RESISTENCIA

Los procedimientos estadísticos proporcionan medios valiosos para evaluar los resultados de las pruebas de resistencia y la información derivada de estos procedimientos sirve también para reafirmar criterios y especificaciones de diseño.

Para que estos procedimientos sean válidos deben obtenerse de muestras tomadas al azar, y para obtener el mínimo de información debe efectuarse una cantidad suficiente de pruebas. Los estadísticos han determinado que el número de pruebas debe ser mínimo de 30 para que el análisis sea representativo.

Una prueba se define como la resistencia promedio de todos los cilindros (mínimo dos) de la misma edad, elaborados de una muestra tomada de la misma cochada o mezclada.

En cuanto a la frecuencia de los ensayos el Código Colombiano de Construcciones Sismoresistentes, dispone que debe tomarse una muestra por lo menos una vez al día, o cada 100 m3 de concreto vaciado, o una para cada mezcla vaciada por día.

Sin embargo, la frecuencia y el número de muestras para determinar la resistencia de un concreto, las fijan las características de la obra y el buen control ejercido sobre cada uno de los parámetros que influyen en la resistencia del concreto.

El muestreo puede hacerse con base en el tiempo transcurrido o en el volumen de concreto vaciado; las condiciones de la obra determinarán el método mas práctico para obtener el número de ensayos necesarios.

Resistencia a la compresfon kg/cm2

FIGURA No.7. ANÁLISIS DEL LOS RESULTADOS DE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO

Tomado de: SÁNCHEZ DE GUZMÁN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Bogotá. 1987.

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Si se dispone de una serie de resultados de pruebas de resistencia y se colocan en un gráfico de frecuencias como el indicado en la figura No.7, se conforma una curva muy definida que asume un patrón similar a la distribución normal de frecuencias o campana de GAUSS, cuyas propiedades pueden definirse matemáticamente y a partir de ellas calcular ciertas funciones de la resistencia del concreto.

Básicamente son dos las medidas que caracterizan una curva de distribución de frecuencias: una medida de centralización que generalmente es el promedio y una medida de dispersión que usualmente es la desviación estándar, salvo que ésta por tratarse en hormigón de muestras estadísticamente pequeñas, se calcula con el número de muestras disminuido en uno. Las expresiones matemáticas para estas dos medidas están dadas así:

- Xl + X2+....+Xn A —

x = EXi

a = { [ ( X 1 - X ) 2 + ( X 2 - X ) 2 + . . . + ( X n - X ) 2 ] / n - l } ' / 2

z Xi-f Z x i l l n J

En ocasiones se emplea una medida de dispersión, el coeficiente de variación, definida como: - ¿

CV% = = x 100 X

En la práctica donde existe un buen control los valores de la resistencia están agrupados cerca del promedio y la curva es alta y estrecha; conforme aumentan las variaciones de resistencia los valores se apartan de la media y la curva se vuelve baja y ancha. Ver figura No.8.

Resistencia a la compresión kg/cm2

FIGURA No.8. VARIACIONES DE LA RESISTENCIA EN RELACIÓN DE LA X

Tomado de: SÁNCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Bogotá. 1987.

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Para evaluar los defectos de la resistencia final del concreto a los 28 días de edad y considerar satisfactorio el nivel de resistencia de cada clase de concreto se deben cumplir simultáneamente los siguientes requisitos: (Norma NTC 3318).

a) que los promedios de todos los conjuntos de tres pruebas consecutivas de ensayo de resistencia iguale o exceda a f 'c;

b) que ningún resultado individual de las pruebas de resistencia sea inferior a f 'c - 35 kg/cm2.

Antes de rechazar un concreto es necesario tener en cuenta algunos criterios que pueden conducir a un arreglo entre las partes sin detrimento de la calidad de la estructura. A continuación en la figura No.9 se muestra un diagrama de las acciones derivadas de la aplicación del criterio de aceptación o rechazo del concreto.

FIGURA No.9. DIAGRAMA DE ACCIONES DERIVADAS DE tA APLICACION DEL CRITERIO DE ACEPTACIÓN O RECHAZO

Tomado de: SANDINO PARDO, Alejandro; RODRIGUEZ, Carlos Alberto; GÓMEZ CORTÉS, José Gabriel; NARANJO VILARO, Ricardo. Tecnología del concreto. Bogotá. 1988.

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EVALUACIÓN DEL CONCRETO PUESTO EN OBRA

Cada vez se plantea con mayor frecuencia la validez del ensayo de compresión en cilindros testigos para evaluar la resistencia del concreto puesto en la obra.

Al dejar a un lado aspectos tan importantes como el transporte, vaciado, compactación y curado, los resultados de estos no guardan mucha relación con la verdadera resistencia del hormigón colocado en la obra bien sea por exceso o por defecto. Se han desarrollado varios métodos para estimar la verdadera resistencia del concreto vaciado, algunos de uso frecuente en nuestro medio.

Estas pruebas son complementarias a los ensayos de compresión en cilindros testigos, y difieren entre sí en los principios aplicados, en los costos de los equipos empleados, en la facilidad, y grado de confiabilidad y dispersión de los resultados. Entre estos métodos explicaremos algunos:

Indice Esclerométrico

Es un ensayo superficial y trata de determinar la resistencia del concreto correlacionándolo con su dureza.

El aparato mas conocido es el martillo de Schmidt, cuya sección se muestra en la figura No. 10; su funcionamiento es como sigue: una masa de cierta magnitud golpea sobre el pivote colocado en contacto con la superficie del concreto. Al apoyar la varilla de percusión y hacer presión sobre el aparato, el resorte entra en compresión. Al llegar al final del recorrido el resorte se libera y la masa se proyecta con una determinada fuerza hacia la superficie del concreto y rebota hacia el otro extremo del aparato arrastrando en su camino un indicador que se desplaza sobre una escala graduada. El número marcado se denomina índice esclerométrico. Luego se relaciona este valor, con la resistencia en kg/cm2 teniendo en cuenta el ángulo de incidencia del martillo.

7 -

5 -19-

2

FIGURA No.10. DIAGRAMA DEL ESCLERÓMETRO

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Por su naturaleza, el sistema presenta una serie de inconvenientes que es necesario mencionar:

a) influye el tipo de cemento y de agregados; b) el ensayo es errático en presencia de agregados gruesos superficiales y la rugosidad de la

superficie, por lo cual hay que lijarla muy bien. c) deben evitarse zonas con armaduras superficiales cercanas a los bordes de los elementos o

donde se sospeche que el sangrado ha sido excesivo. d) las lecturas se ven afectadas por la posición del aparato porque en el rebote influye la gravedad.

Para esta corrección todos los aparatos traen la curva de resistencia Vs índice esclerométrico relacionándola con el ángulo que el martillo forma con la horizontal;

e) en hormigones viejos puede tener incidencia la carbonatación; f) el tipo de formaleta y la forma del elemento (plano o cilindrico) influyen en los resultados; g) el concreto no debe tener diferentes capas pues sólo se evaluará la mas superficial; h) en hormigones de baja resistencia menores de 100 kg/cm2 o de corta edad se pone en entredicho

su eficiencia; i) influye la destreza del operario para hacer llegar la varilla percusora perpendicularmente a la

superficie ensayada.

Dada la gran dispersión que presentan los resultados, es aconsejable tomar un número de lecturas, iiez por cada punto, mínimo 6, descartando los valores que difieran mucho.

Los inconvenientes expuestos anteriormente hacen que la confiabilidad del método sea baja y sólo se utilice para establecer valores comparativos entre concretos de resistencias diferentes para características similares (tipo de cementos, agregados, curado, etc); se puede anotar a su favor que es ín método fácil y rápido, no destructivo y el costo del martillo es bajo.

Penetración de proyectiles

Es una variante del índice esclerométrico, que busca evaluar la resistencia del hormigón por la profundidad de penetración de un proyectil. Con la pistola se efectúan disparos en los vértices de un riángulo equilátero de 18 cms de lado y se determina la profundidad de penetración como la diferencia entre la longitud inicial y la longitud que sobresale del proyectil.

Presenta una alta dispersión de resultados y valores no siempre concordantes con las curvas de calibración suministradas por los fabricantes.

Los resultados dependen mucho del agregado utilizado, es un ensayo que mide la resistencia del concreto superficial, al igual que el índice esclerométrico se utiliza en ensayos comparativos, pero presenta una desventaja con relación al anterior en que produce descascaramiento.

Velocidad del pulso ultrasónico

Este método consiste en evaluar la resistencia del concreto aprovechando la facilidad con que un pulso ultrasónico longitudinal lo atraviesa; la facilidad de propagación del pulso es función de la

M

densidad del material la cual a su vez se correlaciona directamente con su resistencia mecánica. En este ensayo, a diferencia del índice esclerométrico y del ensayo de penetración, se evalúa todo el material y no la superficie.

El aparato consta de un palpador puesto en contacto con la superficie del elemento que se va a evaluar, que emite un pulso que es recogido por otro palpador colocado en otro punto, generalmente en una cara opuesta.

El aparato determina eléctricamente el tiempo en microsegundos que tarda el pulso en recorrer el espacio entre los dos palpadores. Conocido el espacio por medición directa se determina la velocidad de propagación; sabiendo que la velocidad de transmisión de una onda en un material depende de su módulo de elasticidad, y que el módulo de elasticidad está relacionado con la resistencia a la compresión, entonces se puede relacionar la velocidad con la resistencia, así:

V R1/5 ó V « R"6

La medición de la velocidad del pulso ultrasónico se ve afectada por varios factores, entre los cuales tenemos:

a) longitud de medición, pues si la precisión en la medida del tiempo es bastante exacta, no lo es en la medida de la longitud;

b) presencia de la armadura; se considera que el efecto de las varillas en dirección perpendicular al pulso tiene un efecto menor que la presencia de las varillas en el sentido paralelo a la propagación, sobretodo si las varillas tienen un diámetro superior a 6 mm (1/4"). Al poder viajar la onda mas rápidamente en el acero puede suceder que en un momento se registre primero la onda que viaja a través de él, se considera que la primera onda en alcanzar el receptor puede viajar a través del acero;

c) tipo, cantidad y tamaño máximo del agregado; d) proporciones de la mezcla; e) contenido de aire en la mezcla; f) grado de contacto de los palpadores con la superficie (rugosidad superficial); g) contenido de humedad del hormigón; h) edad del concreto; i) relación agregado - cemento.

En la determinación de la resistencia con el pulso ultrasónico es necesario que la masa del hormigón no presente huecos. Sin embargo estudios recientes han permitido emplear este método para determinar fisuras y grietas en las masas de concreto.

Arrancamiento de insertos

Dentro del método de arrancamiento de insertos del concreto, existen tres variables para realizar si ensayo.

Pull - out test

El método se basa en extraer un elemento que previamente ha sido embebido en el hormigón, bien sea durante el vaciado, o bien con taladro y adhesivo, midiendo la fuerza necesaria para lograr esa extracción. En este caso el concreto falla por esfuerzos de tensión y cortante, lográndose una buena correlación con su resistencia a la compresión.

El método ha sido usado en Rusia desde 1935, pero sólo después de estudios que mostraban una buena correlación entre sus resultados y la resistencia a la compresión, y su poca variabilidad, se empezó a poner en práctica en la década del 70.

Tiene un inconveniente y es que necesita ser planeado con anterioridad para dejar embebidos en el concreto los insertos; pero en nuestro medio no están comercializados los sistemas de extracción. Además de ser una prueba parcialmente destructiva dependiendo de la relación profundidad de penetración/menor dimensión de la sección. Como alternativa se ha planteado aplicar una fuerza asociada con una resistencia mínima; si ésta se alcanza sin que se presente desprendimiento se considera que el hormigón del elemento ensayado cumple los requisitos de resistencia y no hay necesidad de llegar hasta la extracción final.

Otra desventaja es que con este método sólo se evalúa la calidad del hormigón superficial, pues la profundidad de anclado no debe soprepasar los 10 cm, ya que una profundidad mayor implicaría fuerza de extracción muy grande y por lo tanto equipos mas poderosos y costosos que afectarían el aspecto práctico y económico del método.

Los resultados del método se ven afectados por la presencia del acero de refuerzo, la perpendicularidad del inserto y la forma en que es aplicada la fuerza de extracción: Ver figura N° 11

A. El inserto es colocado en el interior B. Formaleta se retira de la formaleta antes de fundir el concreto

FIGURA No. 11. ENSAYO PULL OUT TEST

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Break off teste r

Este método para determinar la resistencia del concreto puesto en obra es ampliamente usado en los países escandinavos. Básicamente consiste en practicar en el concreto, una ranura con un anillo plástico si el hormigón esta fresco o con una broca si el hormigón está endurecido. Con un gato hidráulico se aplica una fuerza transversal ejerciendo esfuerzos de flexión, y registrando la fuerza necesaria para la fractura del núcleo que resulta, hay una buena correlación entre ésta fuerza y la resistencia a la compresión del concreto. La figura No. 12 ilustra el método.

Celda de

55 mm •—|

- 75 mm — —j

FIGURA N° 12. ENSAYO DE BREAK-OFF

Pull off tester

Este método fue desarrollado en Inglaterra, y consiste en adherir con resina epóxica un pequeño cilindro de acero sobre la superficie del hormigón a la que previamente se le ha removido la capa superficial mediante lijado. Cuando la resina endurece se aplica una fuerza de tensión sobre el cilindro de acero, registrándose la carga máxima la cual se correlaciona con la resistencia a la compresión del concreto. La forma como se realiza el ensayo es mostrado en la figura No. 13.

LAMINA UKCULAK

DE ACERO

RESINA EPÓXICA

LÍNEA DE ROTURA

LAMINA CIRCULAR

DE ACERO

RESINA EPÓXICA RANURA

» V i «.'.vTTT

' ' LÍNEA DE ROTURA

a) SIN RANURA b) CON RANURA

FIGURA No. 13. ENSAYO PULL OFF TESTER

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Extracción de núcleos

Se considera la prueba más concluyente para determinar la resistencia real del hormigón vaciado en una estructura. Consiste en extraer cilindros de concreto de los elementos en los cuales se va a medir la resistencia. La extracción del cilindro se hace con una broca cilindrica hueca en cuyo extremo van engastados cristales muy finos de diamante, que por abrasión van desgastando el concreto, empleando agua como refrigerante y lubricante. Posteriormente al cilindro extraído se le mide la resistencia a la compresión.

La resistencia obtenida por este método se ve afectada por los siguientes factores:

- diámetro del cilindro extraído; - relación de esbeltez, longitud/diámetro; - presencia de armadura dentro del núcleo; - altura de extracción; - dirección de extracción respecto a la fundida del hormigón; - conservación antes del ensayo del núcleo y humedad durante el mismo.

Respecto al diámetro del núcleo la Norma NTC 3658 exige un diámetro igual o superior a tres veces el tamaño máximo del agregado empleado, lo que implica conocer el tamaño máximo usado, en ningún caso se recomiendan núcleos con diámetro inferior a 5 cm. Además debe tenerse en cuenta la separación entre varillas de refuerzo, la cual en la mayoría de los casos es menor que el diámetro mínimo estipulado. Lo anterior condiciona la extracción a sitios muy determinados o induce a que se incumpla el requisito del diámetro mínimo o hace imposible la realización de la prueba. A medida que aumenta el diámetro del núcleo se reduce la dispersión de los resultados.

La relación longitud/diámetro recomendada es de 2, pero en la práctica es difícil mantener esta relación, ya sea por las dimensiones del elemento de donde se extrae o por accidentes al retirar el núcleo taladrado, por la presencia de armaduras o por roturas en el momento de cortarlo. Existe un factor de corrección cuando la relación de esbeltez no es de 2. Así:

f 2 f 2 1.5 + (l / L) l

f2 = resistencia a la compresión para núcleos con relación de esbeltez 1/d = 2; fL = resistencia a la compresión para núcleos con relación de esbeltez 1/d = L; L = relación de esbeltez del núcleo ensayado.

Es evidente que en elementos densamente reforzados es imposible evitar el corte de la armadura; en la medida de lo posible debe evitarse el corte del refuerzo; pero tiene menos efectos en los resultados, la presencia de la armadura en el sentido perpendicular que en el sentido paralelo respecto a la dirección de aplicación de la carga.

Cuando los núcleos son extraídos en dirección vertical a la vaciada arrojan mayor resistencia que al ser extraídos en dirección horizontal.

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Resulta lógico pensar que la resistencia del hormigón y por lo tanto la de los núcleos extraídos de él, resulte afectada por el tipo y dimensión de la estructura especialmente debido al aumento de temperatura en las estructuras masivas y a las rápidas evaporaciones en aquellas donde la superficie expuesta es alta; y por la cercanía de los sitios de extracción a los bordes o superficies, o la acción compactadora del hormigón encima de el sitio de extracción.

Por último el ACI y el Código Colombiano de Construcciones sismoresistentes, recomiendan ensayar los núcleos secos, dejándose 7 días al aire antes del ensayo, si el concreto de la estructura va a estar seco durante su servicio. La norma NTC 3658 determina los requisitos para la toma y ensayos de los núcleos de concreto.

Aditivos para el concreto

• Definición: Un aditivo es un material distinto del agua, agregados y cemento hidráulico usado como ingrediente en concretos y morteros añadido a la mezcla inmediatamente antes o durante su mezclado.

Hoy en día, los aditivos se consideran un ingrediente más del concreto y se emplean para modificar las propiedades de modo que lo hagan mas adecuado para condiciones de trabajo particulares.

• Historia: Desde la época de los romanos, se emplearon aditivos para el concreto agregando cal y puzolanas. Se sabe que los primeros aditivos empleados fueron la sangre de toro y la clara de huevo, que se utilizaron para mejorar las características de la mezcla en estado plástico.

Como la fabricación del cemento Portland es relativamente reciente (1850), poco después y con el fin de lograr tiempos de fraguado mas regulares, se utilizó el yeso crudo y el cloruro de calcio (1875 a 1890); los albañiles franceses de la época añadían un poco de yeso vivo en el momento de mezclar el concreto. En el año de 1885 fue patentada la adición de cloruro cálcico como aditivo y en 1888 Candlot demostró que según la dosis éste podría ser acelerador o retardador del fraguado.

Simultáneamente con los aceleradores se utilizaron los hidrófugos, pues la única preocupación de los usuarios no era solamente la de regular la duración del fraguado, sino también la de conseguir hormigones impermeables.

Hacia 1895 los franceses y alemanes emplearon productos químicos como aditivos con el fin de mejorar la plasticidad y en 1906 en USA se usaron productos químicos para producir concretos impermeables.

La comercialización de productos que mejoran algunas propiedades del concreto datan de 1910 y se trataba de hidrófugos y aceleradores del fraguado que se añadían al concreto que iba a ser utilizado en la construcción de depósitos de agua, y también para el diseño de morteros empleados en la reparación de obras subterráneas.

En 1934 se comercializaron los plastificantes y los inclusores de aire en 1939, pero su utilización en Europa no empezó hasta después de la segunda guerra mundial en 1947.

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Los retardadores de fraguado no irrumpieron eomereialmente hasta 1959, pero se había visto que algunos productos como el óxido de zinc y el ácido fosfórico eran potentes retardadores del fraguado. En Alemania se usaban estos productos para el retardo del fraguado, porque era necesario interrumpir los trabajos en las obras durante los ataques aéreos.

En los años siguientes gracias al progreso de la industria química, los materiales plásticos se han incorporado en el concreto, hoy en día los fabricantes elaboran cada vez productos mas sofisticados, según las necesidades de la construcción moderna.

• Clasificación de los aditivos: Los aditivos para el concreto se clasifican, por su función dentro del concreto y por su composición química.

La Norma Colombiana NTC No. 1299 reglamenta los aditivos químicos para el hormigón, sus usos, requisitos y métodos de ensayo destinados a demostrar la diferencia entre hormigones con o sin aditivos.

La clasificación de los aditivos según esta norma es como sigue:

TIPO A: Aditivo plastificante: permite disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener una determinada consistencia del hormigón.

TIPO B: Aditivo retardador: retarda el fraguado del concreto. TIPO C: Aditivo acelerante: acelera tanto el fraguado como la resistencia del concreto a edades

tempranas. TIPO D: Aditivo plastificante retardador: permite disminuir la cantidad de agua necesaria para

obtener un concreto de una determinada resistencia y retardar su fraguado. TIPO E: Aditivo plastificante acelerador: permite disminuir la cantidad de agua necesaria para

obtener un hormigón de determinada consistencia y acelerar tanto el fraguado como la resistencia a temprana edad.

TIPO F: Aditivo reductor de agua de alto rango: Se llama también Superplastificante. TIPO G: Aditivos superplastificantes retardadores.

Una clasificación reducida en términos de su función es la siguiente:

a) acelerantes; b) incorporadores de aire; c) reductores de agua y que controlan el fraguado; d) retardantes; e) minerales finamente molidos; f) misceláneos.

Este último grupo está dividido en 11 categorías de acuerdo con los efectos característicos de su uso.

• Preparación y dosificación de los aditivos: La preparación de cualquier aditivo y su dosificación debe atenerse a las recomendaciones del fabricante.

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Los aditivos en polvo deben dosificarse en peso y los aditivos en pasta o líquidos pueden dosificarse al peso o al volumen, la mayoría de los dosificadores de aditivos líquidos para concreto usados actualmente son de tipo volumétrico.

Para algunas combinaciones de aditivo-cemento, variar el momento en que se añaden durante el mezclado puede afectar en diversos grados el retardo o aceleración, o cambiar el requerimiento de agua de la mezcla. Los aditivos químicos líquidos no deben estar en contacto directo con el cemento seco.

Para evaluar el uso de cualquier aditivo se debe hacer en el concreto en cuestión bajo las condiciones esperadas en la obra ya que los resultados obtenidos están influenciados por las características del cemento y de los agregados, así como por sus proporciones, los métodos de construcción y las condiciones ambientales.

Al evaluar económicamente el uso de los aditivos debe tenerse en cuenta el efecto sobre el posible cambio de volumen de una cochada. Si agregando el aditivo cambia el rendimiento, como sucede a menudo, el cambio en las propiedades del concreto no solamente es efecto del aditivo, sino del cambio en las proporciones iniciales.

En ocasiones, un aditivo permite el uso de un método de construcción o diseño menos costoso, como en el caso de diseños de unidades estructurales con aditivos retardadores que sale mas económico porque permite la colocación de grandes volúmenes de hormigón en mayores períodos de tiempo, pero al evaluar la economía del uso del aditivo en la obra, no debe olvidarse que éste requiere mano de obra más especializada para su manipulación y que si bien en algunas condiciones de trabajo el uso de aditivos es el único medio para lograr el fin propuesto, en otros el uso de aditivos no es el único medio para lograr eficiencia y calidad en el trabajo.

Por último, dos o mas aditivos pueden no ser compatibles en la misma solución; por lo tanto, a menos que se tengan pruebas o que lo permita el fabricante los aditivos no deben ser premezclados antes de su introducción en el concreto. Siempre se debe recordar, al escoger y utilizar un determinado aditivo realizar ensayos de control en la obra para precisar su dosificación óptima, puesto que los efectos de un aditivo pueden variar con un gran número de factores y en particular con la naturaleza del cemento. Una vez obtenida la dosificación óptima, esta se multiplica por la capacidad en kilos de cemento de la mezcladora, se divide entre la densidad del aditivo y se obtiene la cantidad en volumen que debe agregarse de aditivo para cada mezclada.

A continuación hablaremos sobre los aditivos más empleados en nuestro medio.

• Aditivos acelerantes: Un aditivo acelerante es un material que se añade al concreto con el fin de reducir el tiempo de fraguado y acelerar el desarrollo temprano de resistencia. Sin embargo el desarrollo de resistencia del concreto puede ser acelerado por otros métodos tales como:

1. El uso de cemento de resistencias altas a tempranas edades como es el cemento Portland Tipo III. 2. Aumentando el contenido de cemento. 3. Curando el concreto a mas altas temperaturas. 4. Calentando el agua y los agregados. 5. Una combinación de los anteriores.

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El cloruro de calcio es el aditivo acelerante más utilizado ya que es efectivo por su peso y relativamente más barato.

El cloruro de calcio, al igual que las demás sustancias acelerantes debe ser dosificado porque en concentraciones de 1 a 2%, o dosis mas altas del peso del cemento es un gran acelerante pero en dosis bajas se convierte en un retardante.

Los acelerantes se usan para:

- Remover la formaleta mas rápidamente. - Acortar el período necesario de protección, y así evitar daños al concreto sometido a factores

como congelación y descongelación. - Terminar mas rápido la estructura o la reparación. - Reducir la presión sobre la formaleta o reducir el tiempo en el cual las formaletas están sujetas

a presiones hidráulicas.

El empleo de estos aditivos reduce el tiempo inicial y final de fraguado y aumenta los cambios de volumen. La resistencia a la compresión se incrementa notablemente a temprana edad pero se reduce a los 28 días, es decir, que las resistencias finales suelen quedar aumentadas con los retardadores y disminuidas con los acelerantes y en este último caso, tanto cuanto mas acelerante sea el producto. (Ver gráfica No.9).

Resistencias a la

GRAFICA No.9. ESQUEMA DE IA INFLUENCIA COMPARADA DE UN ACELERADOR Y UN RETARDADOR SOBRE LA EVOLUCIÓN DE LAS RESISTENCIAS

Tomado de: SANDINO PARDO, Alejandro; RODRIGUEZ, Carlos Alberto; GÓMEZ CORTÉS, José Gabriel; NARANJO VILARO, Ricardo. Tecnología del concreto. Bogotá. 1988.

En cuanto a la durabilidad del concreto se debe tener en cuenta que el cloruro de calcio empleado como acelerante no actúa como agente anticoagulante y su uso disminuye la resistencia al ataque de los sulfates y aumenta la expansión producida por la reacción agregado-álcali en el caso de que ella se presente.

Por otro lado, el cloruro de calcio produce corrosión y por lo tanto no debe ser empleado en los siguientes casos:

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- concreto curado con vapor; - concreto preesforzado; - concreto que contenga embebidas piezas de aluminio o elementos galvanizados.

Si se respeta el límite de dosificación del 2% del peso del cemento, su uso no causa corrosión en el acero de refuerzo bajo condiciones ambientales normales siempre y cuando las varillas tengan suficiente recubrimiento.

• Aditivos retardantes: utilizados para demorar la velocidad de fraguado.

Los aditivos retardantes se emplean principalmente para reducir el efecto acelerante del clima cálido sobre el fraguado del concreto, o simplemente para retrasar el fraguado inicial cuando las condiciones de colocación y compactación son dispendiosas como es el caso de elementos muy esbeltos y elementos muy reforzados o cuando el transporte del concreto debe hacerse a grandes distancias.

Los aceleradores así como los retardantes son aditivos solubles en agua que actúan químicamente, modificando la solubilidad de los diversos constituyentes del cemento.

• Aditivos reductores de agua y de control del fraguado: utilizados para reducir la cantidad de agua del mezclado requerida en la producción del concreto con una consistencia determinada, o para aumentar el asentamiento del concreto con un contenido dado de agua.

Muchos aditivos reductores de agua pueden ser también retardadores del fraguado y algunos pueden incluir ciertas cantidades de aire en el concreto.

El uso de aditivos reductores de agua mejoran la manejabilidad del concreto fresco para un mismo asentamiento, facilitando la colocación con menor segregación y mayor respuesta a la compactación.

En general los aditivos reductores de agua producen en el concreto en todas las edades un aumento de resistencia mayor que la que se puede obtener con la simple reducción de la relación agua-cemento. La resistencia a la flexión se aumenta menos que la resistencia a la compresión.

Por otra parte, el uso de este aditivo aumenta la durabilidad del concreto al aumentar la resistencia y la impermeabilidad.

Por último, cuando se emplean estos aditivos, así como se emplean los demás, deben realizar ensayos con el fin de evaluar el efecto del aditivo sobre las propiedades del concreto que se está fabricando bajo las condiciones ambientales, con los materiales que se estén empleando y con los procedimientos de construcción que van a ser usados. Debido a que se emplean en pequeñas cantidades debe ponerse especial cuidado en su dosificación.

• Aditivos inclusores de aire: originan aire en el concreto o mortero, durante el mezclado comúnmente en pequeñas cantidades en forma de burbujas pequeños de 1 mm de diámetro o menos, que mejoran la manejabilidad y aumentan la resistencia al congelamiento.

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Uno de los mayores avances en la tecnología del concreto ha sido el desarrollo del concreto con aire incluido por los grandes beneficios que ello implica no sólo para el concreto fresco sino para el concreto endurecido.

Aunque los aditivos inclusores de aire no son clasificados como plastificantes, el aire incluido mejora la manejabilidad del concreto cuando éste se encuentra en estado plástico. Las mezclas con inclusores de aire son más manejables, cohesivas y plásticas, y permite moldearlos y terminarlos fácilmente.

El propósito fundamental de la inclusión de aire en el concreto es darle un alto grado de resistencia a la acción destructiva del congelamiento y deshielo permitiendo que los vacíos del aire incluido actúen como alojamiento del agua cuando ésta se ve forzada a desplazarse por el aumento de volumen al llegar al punto de congelación, reduciendo la presión y previniendo que se exceda la resistencia a la tensión que podría llevar a la falla al concreto. Además, el aire incluido protege al concreto de las sustancias químicas usadas para el deshielo, y de la acción de los sulfatos; reduce la permeabilidad del concreto, su peso unitario, también su resistencia a la compresión hasta en un 15% y su resistencia a la flexión hasta en un 10%.

En general la inclusión de aire varía entre un 3% a 6% en concretos de resistencia normal y entre 3 - 4% para concretos de alta resistencia.

• Aditivos minerales finamente molidos: Pueden clasificarse en cuatro grupos:

La gran mayoría de los materiales así usados son polvos mas finos que el cemento Portland y por lo tanto influencian las propiedades físicas del cemento fresco. Son utilizados para aumentar el cemento en mezclas deficientes en partículas muy finas.

Son aditivos cuando son agregados a la mezcla del concreto como un ingrediente mas, bien sea antes o durante el mezclado; y son adiciones cuando son mezclados o molidos juntos con el cemento.

Con el fin de obtener la necesaria trabajabilidad, plasticidad y bombeabilidad, muchos diseños de hormigón necesitan gran cantidad de cemento, el que se requiere para desarrollar adecuadas resistencias, pero una fracción a veces grande de cemento puede ser reemplazada por estos aditivos finamente molidos.

1. Cementosos. Entre los materiales cementantes se incluyen los cementos naturales, cales hidráulicas, cemento de escoria (mezcla de escoria de los altos hornos y cal) y escorias granuladas.

2. Puzolánicos. La puzolana se define como un material silíceo o sílico - aluminoso que por si mismo posee poco o ningún poder cementante pero molido finamente y en presencia de humedad, reacciona químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente que se encuentra en el cemento para formar compuestos con propiedades cementantes.

Entre estos materiales se tienen las cenizas volcánicas, las tierras diatomáceas y algunas arcillas ya sean crudas o tratadas con calor.

3. Cementantes y puzolánicos. Los principales materiales cementantes - puzolánicos son ciertas cenizas que se producen por la combustión de alquitrán.

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4. Otros. Son minerales finamente molidos que no son cementantes, ni puzolánicos como las arenas silíceas y de cuarzo, piedras dolomíticas y calcitas, polvos de mármol, granito, requieren en su mayoría de calcinación y molienda para desarrollar actividad puzolánica.

• Aditivos misceláneos: Entre los aditivos misceláneos tenemos los siguientes:

a) Aditivos formadores de Gas: Se agregan a la mezcla de concreto para contrarrestar el asentamiento y la exudación de tal forma que le permita al concreto retener el volumen donde fue fundido. b) Aditivos para anclaje y rellenos: Son principalmente usados para cementar pozos petroleros en condiciones de altas temperaturas, presiones y distancias grandes para el bombeo. c) Aditivos que producen expansión: Son aquellos que durante el período de hidratación del concreto se expanden o reaccionan con algunos constituyentes del concreto, para causar expansión, son utilizados para disminuir los efectos de contracción de secado. d) Aditivos pegantes: Se usan principalmente en trabajos de resane y parcheo donde se requieren delgados espesores; desarrollan una alta resistencia a la adherencia. e) Aditivos que ayudan al bombeado: Son utilizados para quitar o disminuir las dificultades en el bombeo del concreto. f) Aditivos colorantes: Son utilizados para producir un color específico en concretos y morteros sin alterar las propiedades físicas de la mezcla. g) Aditivos floculantes: Son utilizados para aumentar la rata de exudación, la cohesividad, y disminuir el sangrado. h) Aditivos fungicidas e insecticidas: El principal propósito de estos aditivos es inhibir y controlar el crecimiento de hongos y bacterias en pisos y muros de concreto. i) Aditivos impermeabilizantes: No se han encontrado aditivos que sean impermeabilizantes, los que se utilizan actualmente disminuyen la rata de penetración del agua dentro del concreto endurecido o la rata de transmisión del agua a través del concreto insaturado de la cara húmeda hacia la cara seca. j) Aditivos para reducir la expansión árido alkali. k) Aditivos que inhiben la corrosión.

Algunas clases de concreto

Concreto lanzado

Se conoce también con el nombre de Shot Crete. Tiene muchas ventajas en trabajos subterráneos como túneles y obras de minería. Sirve como soporte o como protección en el primer caso la mezcla empareja la superficie para la aplicación posterior de un recubrimiento impermeable, en el segundo se utiliza para recubrir, sujetar y protegerla impermeabilización. También se utiliza en la protección y revestimiento de taludes y excavaciones.

De todas sus aplicaciones, la mas importante es la consolidación de la roca mediante el soporte de la superficie excavada que se logra al rellenar sus irreegularidades y generar un revestimiento integral.

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Hay dos procesos básicos con los cuales se aplica el concreto lanzado:

a) El proceso de mezcla seca, en el cual se mezclan bien el cemento y el agregado con muy poca humedad (máximo 5%) y se introducen en un alimentador, y por medio de aire comprimido se impulsa a la boquilla de salida en donde se le agrega el agua a una mayor presión, y de allí sale proyectado a alta velocidad sobre la superficie. Este método es el mas fácil de usar y da mejor resultado, pero se necesita un excelente control de humedad de los agregados, que no siempre es fácil, para posteriormente dosificar el agua en la boquilla de salida; por otro lado, la mezcla produce mucho polvo molesto para los operarios.

b) Proceso de mezcla húmeda, en el se dosifica el concreto con el agua necesaria y es impulsado a la boquilla de salida donde se proyecta a la superficie; el método requiere una excelente dosificación del agua, pues si el concreto queda muy húmedo se escurre y si queda seco se queda atorado en la boquilla de salida.

Las propiedades del concreto lanzado no difieren de las de un hormigón colocado convencionalmente de proporciones similares; es el método de colocación el que le confiere ventajas significativas para numerosos usos.

El concreto lanzado tiene un tamaño máximo dado por las características del equipo, se coloca en espesores de 10 cm pero si se utilizan acelerantes el espesor se puede aumentar.

Sin embargo, el concreto lanzado tiene un contenido alto de cemento alto y el equipo necesario así como la colocación son muy costosos, además se requiere de gran habilidad y experiencia del operario, pues su calidad depende en gran parte del trabajo del boquillero.

Concreto Ciclópeo

El concreto ciclópeo es un material utilizado en la construcción y está constituido de arena, grava, agua y cemento, además de serle incorporados mampuestos y hasta bloques de gran tamaño.

De una manera muy sencilla, el concreto ciclópeo es un concreto al que se le agregan piedras. Estas pueden ser de diferentes tamaños, pero generalmente son piedras más bien grandes. Por razones evidentes, las piedras no se le añaden a la concretadora o mezcladora en el proceso de su elaboración. Se colocan en el lugar donde va a ir el concreto ciclópeo y se vacía la mezcla sobre ellas.

Las piedras que van a conformar el concreto ciclópeo deben estar muy bien lavadas y húmedas en el momento del vaciado, con el fin de que se pueda llegar a obtener unos resultados óptimos.

Es de notar que, mientras los demás tipos de concreto requieren de formaleta, el concreto ciclópeo no la necesita, es decir, va enterrado.

Por constituir un material natural, la piedra nf> precisa para su empleo más que la extracción y transformación en elementos de forma adecuada. Sin embargo, es necesario que reúna una serie de cualidades que garanticen su aptitud para el empleo a que se destine. Estas cualidades dependen de su estructura, densidad, compacidad, porosidad, dureza, composición, durabilidad y resistencia a los ssfuerzos a que estará sometida.

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Concretos Auto nivel antes

Este tipo de concretos son los que utilizan aditivos fluidificantes y permiten:

a. trabajabilidad fuertemente aumentada para el mismo contenido de agua;

b. disminución de la cantidad de agua para la misma trabajabilidad y, por tanto, un sensible aumento de la resistencia;

c. mediante un compromiso entre los dos efectos anteriores, unos aumentos menores a la vez en la trabajabilidad y en la resistencia.

Los concretos autonivelantes representan una facilidad donde las condiciones de la obra no permiten el uso de concreto tradicional.

Estos concretos tienen también las siguientes denominaciones:

- concretos autocompactantes o autonivelantes;

- concreto líquido;

- concreto con alta fluidez;

- concreto con revenimiento colapsado.

Los fluidificantes vienen preparados en forma líquida de color marrón oscuro. La dosificación oscila, en general, entre el 2% y el 5% del peso del cemento. Es importante la forma de adición del aditivo a la mezcla, pues se recomienda disolverlo con el agua antes de agregársela.

En los efectos obtenidos, la acción reductora del agua de un fluidificante oscila entre el 5% y el 20% lo que va acompañado de una ganancia de resistencia entre el 8% y el 20%.

La naturaleza del cemento influye en los efectos y dosificación óptima del fluidificante. Últimamente se están empleando ciertos tipos de resinas cuya acción fluidificante es temporal.

Concreto reforzado con fibras

La utilización de fibras sintéticas o naturales como refuerzo parcial o total del concreto tiene cierta antigüedad y difusión y ha cobrado importancia desde 1960 cuando se desarrollaron aplicaciones modernas de la fibras métalicas, vidrio, carbón, orgánicas y minerales, polipropileno, nylon, poliester y otras.

Los parámetros que determinan la capacidad de refuerzo de una fibra son: Resistencia a la tensión, módulo de elasticidad, adherencia con pasta de cemento, relación de poisson y relación longitud/ diámetro.

El principio básico de utilización de fibras en el concreto, consiste en aumentar la resistencia a todos los modos de carga que inducen esfuerzos de tensión (tensión directa, flexión y cortante) y disminuir la fragilidad del concreto para que este se comporte como un material relativamente flexible.

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Las fibras se han utilizado principalmente en pavimentos y losas donde la relación área/volumen es alta y se requiere un mecanismo de control de grietas superficiales; de igual modo en los concretos masivos donde el calor de hidratación es alto y es necesario controlar grietas y fisuras. Actualmente se está investigando su utilización en estructuras que demandan una gran capacidad de absorción de energía, como es el caso de estructuras antisísmicas o hidráulicas donde se disminuye notablemente el ataque por erosión o cavitación.

Tipos de fibras

Fibra de asbesto

Es el nombre general de cierta variedad de fibras naturales de silicatos cristalinos, entre ellos las serpentinas y anfíboles. Se caracterizan por su gran durabilidad. En Colombia la mina de explotación se encuentra en Campamento (Antioquia), pero la demanda nacional no alcanza a ser suplida por su producción, razón por la cual la mayoría debe ser importada de Canadá.

Sin embargo, a nivel mundial las plantas de asbesto están tratando de ser clausuradas, ya que se ha descubierto que la asbestosis es un factor de riesgo cancerígeno. En Colombia, empresas como Colombit S.A. ya están encontrando materiales sustitutos del asbesto, y los están implementando en la producción a nivel industrial.

Fibras cerámicas o de carbón

Este tipo de fibras poseen alta rigidez, resistencia a la tracción y son poco reactivas a las condiciones alcalinas de la pasta de cemento. Presentan la desventaja al implicar un costo muy alto en su producción. Existen dos tipos:

Tipo I: Alto módulo de elasticidad.

Tipo II: Alta resistencia como fibra de vidrio y fibras metálicas

Fibras artificiales o sintéticas

Polipropileno: Bajo costo, alta durabilidad.

Nylon: Alta resistencia y elongación. Ha sido usada frecuentemente en concretos resistentes a impactos. Muy alto costo. t

• Poliéster: Existen dudas acerca de su durabilidad en ambientes alcalinos. Alto costo.

Polietileno: Se producen fibras relativamente baratas.

Lanas de Rocas: Dificultad en su producción.

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Fibras vegetales

Presentan un bajo módulo de elasticidad y una baja resistencia a temperaturas elevadas, entre ellas se encuentra el fique o cabuya.

Concreto ligero

Se define como aquel hormigón que a la edad de 28 días alcanza una resistencia entre 175 y 250 kg/cm2, según el diseño, pero que tiene un peso unitario que varía entre 800 a 1600 kg/m3.

Existen tres métodos para producir concreto ligero, en el primero se emplea agregado liviano poroso de baja densidad relativa en vez de agregado normal cuya densidad es aproximadamente 2.6 gr/cm3. El concreto resultante se conoce con el nombre del agregado ligero empleado. El segundo método para producir concreto ligero consiste en la formación de grandes cavidades del concreto o de la masa de mortero. Estas cavidades deben distinguirse claramente de las cavidades muy finas producidads por la inclusión de aire. Este tipo de concreto se conoce con diversos nombres tales como concreto aireado, celular, espumoso o gasificado. El tercer método para obtener concreto ligero es aquel en el que se omite en la mezcla el agregado fino de tal manera que quedan en ella grandes cavidades intersticiales, este concreto se conoce con el nombre de concreto sin finos.

La característica de los agregados ligeros que influyen en la calidad del concreto son las mismas que se exigen a los agregados normales; el agregado ligero difiere del agregado ya estudiado en su alta absorción entre 5 y 15% y en su bajo peso unitario entre 500 y 1500 kg/m3, mientras el peso unitario de los agregados normales como ya se dijo varía entre 1500 y 1800 kg/m3 y su absorción entre 1 y 5%.

Las ventajas de un concreto ligero son entre otras las siguientes:

- Debido a su baja densidad produce un buen aislamiento térmico con espesores menores que el concreto convencional.

- Su menor peso permite construir edificios mas livianos, con menor costo de la cimentación y en el dimensionamiento.

- Los prefabricados construidos con concreto ligero son mas livianos para manipularlos.

Entre las desventajas se pueden citar:

- Requieren un mayor contenido de cemento por la alta absorción del agregado, lo que redunda en el costo y en el alto calor de hidratación que se produce.

- Su módulo de elasticidad es mas bajo, entre 105000 y 176000 kg/cm2, y como consecuencia las deformaciones son mayores.

- Su costo se ve incrementado porque hay que producir los agregados y además porque demanda mayor cantidad de cemento.

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Concreto preesforzado

Tiene como finalidad eliminar los esfuerzos de tensión del concreto, introduciendo esfuerzos artificiales de compresión antes de aplicar la carga real, de tal forma que ésta sea soportada por el elemento estructural en su campo de compresión.

Los concretos preesforzados se utilizan en estructuras sometidas a flexión, especialmente.

El concreto preesforzado ofrece algunas ventajas, entre ellas:

- Mejor comportamiento de la estructura ante solicitudes dinámicas y mayor durabilidad. - Disminución en el acero de refuerzo. - Aumento en la luz libre permisible, lo que disminuye el peso.

El preesfuerzo se puede realizar de dos formas:

El pretensado que consiste en tensar el acero entre dos amarras antes de colocar el concreto, así el acero alargado queda embebido en el concreto cuando éste haya endurecido se suelta, entonces el acero tiende a contraerse para llegar a su longitud inicial, pero se lo impide la adherencia con el concreto por lo cual se crean esfuerzos de compresión en el hormigón.

El postensado, se hace una vez el concreto ha endurecido.

Concreto compactado con rodillo

Llamado también concreto R.C.C, se empezó a utilizar a partir de los años sesenta.

El R.C.C se caracteriza porque tiene un asentamiento mínimo o nulo tiene y el consumo de cemento varía entre 100 y 150 kg/m3, de los cuales hasta un 30% puede reemplazarse por cenizas volantes (Fly ash).

La diferencia de este concreto frente al convencional radica en que el R.C.C se compacta con rodillos lisos o vibratorios, como los que se usan en la compactación de los materiales de las presas de tierra, las mezclas son muy secas y se pueden transportar en los equipos de acarreo de materiales corrientes, la mezcla se extiende en capas con tractores de oruga y luego se compacta con rodillo.

El principal uso del concreto compactado es en presas, terminales de buses y camiones, hangares de aeropuerto y vías secundarias con velocidad de tránsito bajas.

0 Las ventajas de este concreto son entre otras:

- Reduce los costos hasta en un 30% por el bajo contenido de cemento. - Se pueden utilizar los equipos convencionales de construcción, tales como, mezcladoras,

volquetas para transportar la mezcla, vibrocompactadores de rodillo liso, etc.

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- Reduce el tiempo de construcción.

La resistencia del R.C.C está directamente relacionada con su densidad.

Para alcanzar una buena resistencia, durabilidad y baja permeabilidad, es necesario alcanzar una compactación alta, pero nunca se debe sobre-compactar.

Los agregados del R.C.C deben tener una buena gradación, con tamaños máximos de 22 mm (7/8") para reducir problemas de segregación.

Se recomienda un contenido de finos entre 5 y 10%, el material debe ser duro, de cantera o de río.

La compactación debe realizarse entre 45 y 90 minutos después de que el agua, en un contenido entre el 5 y 5.5% del peso total, haya sido mezclada con los agregados y el cemento.

Para la compactación se extiende la mezcla en capas delgadas, menores de 6" de espesor y se debe compactar a bajas amplitudes de vibración.

Propiedades típicas del RCC endurecido

• compresión este parámetro depende de las características de los agregados, el cemento y el contenido de agua, asi como de la eficiencia en la compactación.

• tensión varía entre 7% y el 13% de la resistencia a la compresión y es función de la calidad del agregado y el contenido del cemento porque depende de la cohesión de la pasta y el ángulo interno de fricción del agregado. La resistencia minima al corte se presenta en las juntas de construcción y en la superficie de contacto de las capas sucesivas.

Las diferencias entre las propiedades de RCC endurecido y el concreto convencional obedecen básicamente a las diferencias en las proporciones de la mezcla, la granulometria y el contenido de vacíos. Por lo general las mezclas de RCC se producen con agregados de menores especificaciones que aquellos utilizados en la elaboración del concreto convencional, su contenido de cemento es mas bajo.

Concreto vaciado por tubo-embudo (TREMIE)

La colocación de concreto por el método de tubo-embudo (Tremie), es la que más frecuentemente se usa para vaciar concreto bajo agua o en cimentación profundas.

En términos generales, el procedimiento consiste en aprovechar el principio físico de los vasos comunicantes que caracteriza a los fluidos. La colocación suele ser alimentada por gravedad, desde arriba de la superficie del agua (o de los lodos bentoníticos empleados en el vaciado de pilotes "in situ"), por un tubo vertical conectado a una tolva en forma de embudo en la parte superior. El concreto fluye por el tubo-embudo hacia fuera desde el fondo del tubo, empujando la masa hacia fuera y hacia arriba.

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Cuando las paredes de la excavación profunda no tienen la suficiente estabilidad, se deberán llenar con bentonita, un lodo de mayor densidad que el agua, el cual desplaza y garantiza una nivelación de las presiones sobre el terreno para evitar derrumbes. Esta bentonita tiene la particularidad de no contaminar el concreto, pues este es de mayor densidad; luego de tener la excavación llena de bentonita, se procede a introducir el tubo Tremie y vaciar el concreto de abajo hacia arriba evitando el lanzarlo. A medida que el concreto llena la excavación, desplaza la bentonita. Esta puede ser reutilizable en parte si el terreno adyacente no es muy contaminante ajuicio de la interventoría.

Las características especiales de este tipo de concreto, radican en una alta fluidez, por la necesidad de que la mezcla fluya a su lugar lentamente, por gravedad, sin vibración y sin ayuda mecánica. Por ello, las mezclas deben diseñarse para un asentamiento de 15 a 23 cm. Generalmente, se emplea grava redonda natural en lugar de roca triturada, por las necesidades de fluidez. Al igual que en el concreto de bombeo, el tamaño máximo de agregado más recomendado es de 40mm (1.5") y la relación arena / agregado total (por volumen) entre 40 y 50% para combinaciones de agregados gruesos y finos bien gradados.

De otra parte, es indispensable el uso de aditivos retardantes y reductores de agua que garanticen la manejabilidad, consistencia y plasticidad del concreto durante el periodo de colocación. El uso de aditivos inclusores de aire y puzolanas también son benéficos para las características del flujo. Para mantener la calidad estructural y mejorar las condiciones de colocación, debe mantenerse la temperatura de la mezcla tan baja como sea posible, generalmente menos de 21.1 °C. Por último, la máxima relación agua - cemento recomendable, para concreto colocado por este sistema, es de 0.44.

Concreto de alta resistencia

El término "concreto de Alta Resistencia" es aplicable al concreto cuya resistencia a la compresión supera los 42 Mpa.

Las pruebas continuas de materiales cementantes (cemento, ceniza, volante y microsilica), aditivos retardantes y reductores de agua de alto rango, agregados muy bien seleccionados y gradados, y un claro entendimiento de la Tecnología del Concreto, han permitido el desarrollo de mezclas óptimas, diseñadas para obtener propiedades específicas, que se han denominado "Concreto de Comportamiento Diseñado". A ellas, pertenece el concreto de alta resistencia.

Con relación a los materiales, el cemento más recomendable, aunque no indispensable, es el cemento Pórtland tipo III. Las puzolanas, que actúan como llenante de los poros existentes entre los granos de cemento de una pasta ya que tienen un diámetro hasta 100 veces menor que las partículas de cemento, y a la vez reaccionan con la cal libre del cemento y con el agua pues tienen los mismos elementos químicos principales del cemento Pórtland, son la base del diseño de pastas de alta resistencia, porque producen una mejor cementación de la pasta. Las puzolanas pueden ser naturales (formadas por enfriamiento rápido del sílice contenido en la lava de erupciones volcánicas y ricas en óxido de Sílice Si02), o artificiales (cenizas volantes obtenidas del filtrado de los humos de centrales térmicas, y humo de sílice o microsílice obtenidas del filtrado de los humos de hornos de producción de sílice o silicatos metálicos).

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De otra parte, los aditivos superplastifieantes permiten reducir la relación agua - cemento hasta un valor cercano al mínimo teórico de hidratación del cemento (0.27), y a la vez dispersar homogéneamente la puzolana y el cemento, obteniéndose un incremento significativo de la resistencia sin sacrificar la condiciones de fluidez requeridas para una buena colocación y compactación.

Por último, conviene mencionar que por razones económicas y debido a que los elementos de concreto de alta resistencia no son cargados sino hasta varios meses después de haber sido colocado el concreto, las resistencias finales se especifican a 56 ó 90 días de edad.

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113

CAPÍTULO 3

MORTEROS

INTRODUCCIÓN

El uso del mortero en la construcción ha sido muy diverso; en Colombia se usa ampliamente como material de revoque o repello, como material de pega en la manipostería y en los últimos tiempos en la mampostería estructural.

En este capítulo se estudiará, el mortero y sus propiedades y uno de los métodos para dosificarlo, partiendo de una resistencia y de una fluidez requerida.

DEFINICIÓN

El mortero es una mezcla homogénea de un material cementante (cemento), un material de relleno (agregado fino o arena), agua y en algunas ocasiones aditivos, prácticamente es hormigón sin el agregado grueso.

TIPOS Y USOS DE LOS MORTEROS

Atendiendo a su endurecimiento se pueden distinguir dos tipos de morteros: Los aéreos que son aquellos que endurecen al aire al perder agua por secado y fraguan lentamente por un proceso de carbonatación, y los hidráulicos o acuáticos que endurecen bajo el agua, debido a que su composición les permite desarrollar resistencias iniciales relativamente altas.

Teniendo en cuenta los materiales que los constituyen, pueden ser:

- Morteros calcáreos: los que interviene la cal como aglomerante, se distinguen, según el origen de ésta en aéreos e hidráulicos.

Las cales aéreas mas conocidas son la cal blanca y la cal gris (dolomítica); en los morteros aéreos la arena tiene como objetivo principal evitar el agrietamiento por las contracciones del mortero al ir perdiendo el agua de amasado. Se recomienda que la arena sea de partículas angulares y que esté libre de materia orgánica. La proporción de cal-arena mas usada para revoque es de 1 -2 y para mampostería simple de 1-3 o de 1-4. Si la proporción aumenta el mortero pierde ductilidad y trabajabilidad.

En Colombia sólo se utiliza este mortero en trabajos de embellecimiento de interiores que requieren esquinas perfectas.

- Morteros de yeso: Se preparan con yeso hidratado con agua. El contenido de agua es variable según el grado de cocción, calidad y finura de molido del yeso. En obras corrientes se agrega el 50%,

115

para estucos el 60% y para moldes el 70%. El mortero se prepara a medida que se necesita, pues comienza a fraguar a los cinco minutos y termina mas o menos en un cuarto de hora.

- Morteros de cal y cemento: Son aconsejables cuando se busca gran trabajabilidad, buena retención de agua y alta resistencia (superior a la de los morteros de cal; en estos morteros se sustituye parte del cemento por cal, razón por la cual se les conoce también como Morteros de Cemento Rebajado.

Las relaciones de mezcla mas usadas varían entre l :2:6yl:2:10de cemento, cal y arena y el agua necesaria varía de acuerdo a la composición del mortero y a la consistencia deseada. Si el contenido de cemento es alto, el mortero será de alta resistencia y de poco tiempo entre amasado y colocación, será mas o menos trabajable y tiene una contracción del 3% si el mortero es seco; en cambio si el contenido de cal es alto tendrá menor resistencia, será mayor el tiempo entre amasado y colocación, será mas plástico y permeable, pero tendrá mayor retracción. Si el contenido de arena es alto, la resistencia disminuirá y será poco trabajable, pero tendrá poca retracción. Por lo anterior debe buscarse una combinación adecuada a las condiciones de obra.

En cada país la clasificación de los morteros obedece a propiedades específicas de resistencia a la compresión. La norma mas difundida es la ASTM-270, la cual clasifica los morteros de pega por propiedades mecánicas y por dosificación. En esta norma se aceptan 5 tipos de mortero en orden decreciente de resistencia. La tabla No.24 a continuación resume esta clasificación.

TABLA No.24. CLASIFICACIÓN DE LOS MORTEROS DE PEGA PARA MAMPOSTERÍA SIMPLE SEGÚN RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN A 28 DIAS Y SEGÚN DOSIFICACIÓN

T I P O D E RESISTENCIA A LA C O M P R E S I Ó N

(Mpa) (Kg /cm2) (P.S.I.)

C E M E N T O C E M E N T O CAL A G R E G A D O FINO M O R T E R O

RESISTENCIA A LA C O M P R E S I Ó N

(Mpa) (Kg /cm2) (P.S.I.) PORTLAND ALBANILERIA CAL

SUELTO

M 17.2 175 2500 1 1

1 0.25

S 12.4 126 1800 0.5 1

1 0.25 a 0.50 Entre 2.25 y 3

N 5.2 53 750 1 1 0.5 a

1.25 veces la suma de cemento y

O 2.4 25 350 1 1 1.25 a

2.50 cal utilizado

K 0.5 5 75 1 -

2.50 a 4.00

El mortero para mampostería sin refuerzo debe ser del tipo M, S o N, y los morteros para mampostería reforzada están regulados por la norma ASTM C-476 en la cual se distinguen los tipos PM y PL. (ver tabla N° 25).

116

TABLA No.25. CLASIFICACIÓN ASTM C-476 DE MORTEROS DE PEGA PARA MAMPOSTERÍA REFORZADA SEGÚN RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN A 28 DÍAS Y SEGÚN DOSIFICACIÓN (PARTES POR VOLUMEN).

TIPO DE MORTERO

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

(Mpa) (Kg/cm2) (P.S.I.)

CEMENTO PORTLAND

CEMENTO MAMPOSTERÍA CAL AGREGADO

FINO SUELTO

PM 17.2 175 2500 1 1 0.25 a 0.50 PL 17.2 175 2500 1 -

0.25 a 0.50

2.25 a 3.00

Los morteros de relleno se encuentran regulados por la Norma ASTM C-476 (ver tabla No.26). Los morteros de relleno son aquellos que se utilizan para verter en el interior de los muros con el objeto de aumentar la sección neta resistente del muro y favorecer la unión entre la manipostería y el refuerzo.

TABLA No.26. MORTEROS DE RELLENO - PARTES POR VOLUMEN

TIPO DE RELLENO

CEMENTO PORTLAND CAL AGREGADO

FINO SUELTO

AGEGADO GRUESO SUELTO

Relleno fino 1 0 a 0.1 2.25 a 3.0 -

Relleno grueso 1 0 a 0.1 2.25 a 3.0 1 a 2

En Colombia el uso de los morteros de cal y cemento empezó en el año 1975 cuando se observó que la resistencia a la compresión de los ladrillos de arcilla con los cuales se construyeron algunos edificios de cinco pisos con muros portantes era baja. Sin embargo, el uso de estos morteros ha encontrado dificultades por la mala calidad de las cales.

- Morteros de cemento: Son los mas empleados en Colombia, se componen de arena y cemento Portland. Este mortero tiene altas resistencias y sus condiciones de trabajabilidad son variables de acuerdo a la proporción de cemento y arena usados. Es hidráulico y debe prepararse teniendo en cuenta que haya el menor tiempo posible entre el amasado y la colocación; se acostumbra mezclarlo en obra, revolviendo primero el cemento y la arena y después adicionando el agua.

En el mortero de cemento al igual que en el hormigón, las características de la arena, tales como la granulometría, módulo de finura, forma y textura de las partículas, así como el contenido de materia orgánica, juegan un papel decisivo en su calidad.

En algunos casos se emplean arenas con ligeros contenidos de limo o arcilla, para darle mayor trabajabilidad al mortero, sin embargo, los morteros fabricados con este tipo de arena no son muy resistentes.

117

Si el mortero tiene muy poco cemento la mezcla se hace áspera y poco trabajable ya que las partículas de arena se rozan entre si, pues no existe suficiente pasta de cemento que actúe como lubricante.

Por otro lado si el mortero es muy rico, es decir, con alto contenido de cemento, es muy resistente pero con alta retracción en el secado, o sea muy susceptible de agrietarse; estos morteros muy ricos sólo se usan en obras de ingeniería que exijan altas resistencias, tales como muros de contención o cimientos.

En Colombia el uso del mortero de cemento es ampliamente difundido, y se dosifica de acuerdo a la proporción en peso de cemento y arena.

La tabla No.27 resume las diferentes proporciones de los morteros usados en Colombia.

TABLA No.27. USOS DE LOS MORTEROS DE CEMENTO

MORTERO USOS

1:1 Mortero muy rico para impermeabilizaciones. Rellenos

1:2 Para impermeabilizaciones y pañetes de tanques subterráneos. Rellenos

1:3 Impermeabilizaciones menores. Pisos

1:4 Pega para ladrillos en muros y baldosines. Pañetes finos

1:5 Pañetes exteriores. Pega para ladrillos y baldosines, pañetes y mampostería en general. Pañetes no muy finos.

1:6 y 1:7 Pañetes interiores: pega para ladrillos y baldosines, pañetes y mampostería en general. Pañetes no muy finos

1:8 y 1:9 Pegas para construcciones que se van a demoler pronto. Estabilización de taludes en cimentaciones.

Los morteros 1:1 a 1:3 son morteros de gran resistencia y deben hacerse con arena limpia.

Los morteros 1:4 a 1:6 se deben hacer con arena limpia o semilavada.

Para los morteros 1:7 a 1:9 se puede usar arena sucia, pues estos morteros tienen muy poca resistencia.

Los morteros según su uso se pueden clasificar así:

-Morteros que tienen suficiente resistencia y por lo tanto pueden soportar cargas a compresión, como sucede en la mampostería estructural.

-Morteros que mantienen unidos los elementos en la posición deseada, tal es el caso del mortero de pega.

118

-Morteros que proveen una superficie lisa y uniforme, estos son los morteros de revestimiento y revoque.

-Morteros que sirven para rellenar, juntas entre diferentes elementos constructivos.

USOS DEL MORTERO

Los morteros pueden tener una función estructural, y pueden usarse entonces en la construcción de elementos estructurales, o en la manipostería estructural en donde puede ser de pega o de relleno en las celdas de los muros.

Existen otros morteros que no tienen función estructural y se destinan a recubrimiento como pañetes, repellos o revoques.

• Mortero de pega: debe tener cualidades especiales, diferentes a los morteros usados para otros fines porque está sometido a las condiciones especiales del sistema constructivo, y una resistencia adecuada ya que debe absorber esfuerzos de tensión y compresión.

• Morteros de relleno: Se utilizan para llenar las celdas de los elementos en la manipostería estructural, y al igual que el mortero de pega debe tener una adecuada resistencia.

• Morteros de recubrimiento: Ya que su función no es estructural sino de embellecimiento, o la de proporcionar una superficie uniforme para aplicar la pintura, no requieren una resistencia determinada; la plasticidad juega en ellos un papel muy importante.

PROPIEDADES DE LOS MORTEROS EN ESTADO PLÁSTICO

• Manejabilidad: Es una medida de la facilidad de manipulación de la mezcla, es decir, de la facilidad para dejarse manejar. La manejabilidad está relacionada con la consistencia de la mezcla en cuanto a blanda o seca, tal que como se encuentra en estado plástico; depende de la proporción de arena y cemento y de la forma, textura y módulo de finura de la arena.

Para medir la manejabilidad del mortero se usa el ensayo de fluidez descrito en la Norma NTC No. 111, aunque en la práctica, hasta ahora, se ha definido por la apreciación del albañil. En la tabla No.28 se recomienda una manejabilidad para diferentes tipos de mortero de acuerdo a los tipos de construcción y a los sistemas de colocación.

• Retención de agua: se refiere a la capacidad del mortero de mantener su plasticidad cuando queda en contacto con la superficie sobre la que va a ser colocado, por ejemplo un ladrillo.

Para mejorar la retención de agua se puede agregar cal, o aumentar el contenido de finos en la arena, o emplear aditivos plastificantes o incorporadores de aire.

La retención de agua influye en la velocidad de endurecimiento y en la resistencia final, pues un mortero que no retenga el agua no permite la hidratación del cemento.

119

• Velocidad de endurecimiento: Los tiempos de fraguado final e inicial de un mortero están entre 2 y 24 horas; dependen de la composición de la mezcla y de las condiciones ambientales como el clima y humedad.

TABLA No.28. FLUIDEZ RECOMENDADA DEL MORTERO PARA DIVERSOS TIPOS DE ESTRUCTURA Y CONDICIONES DE COLOCACIÓN

CONSISTENCIA FLUIDEZ % CONDICIÓN DE COLOCACIÓN

EJEMPLO DE TIPOS DE

ESTRUCTURA

EJEMPLO DE SISTEMA DE

COLOCACIÓN

Dura (seca)

8 0 - 1 0 0 Secciones sujetas a vibración

Reparaciones, recubrimiento de túneles, galerías, pantallas de cimentación, pisos

Proyección neumática, con vibradores de formaleta

Media (plástica)

1 0 0 - 1 2 0 Sin vibración Pega de mampostería, baldosines, pañetes y revestimientos

Manual con palas y palustres

Fluida (húmeda)

<

1 2 0 - 1 5 0 Sin vibración Pañetes, rellenos de mampostería estructural, morteros autonivelantes para pisos

Manual, bombeo, inyección

PROPIEDADES DE LOS MORTEROS EN ESTADO ENDURECIDO

• Retracción: se debe principalmente a la retracción de la pasta de cemento y se ve aumentada cuando el mortero tiene altos contenidos de cemento. Para mejorar esta retracción y evitar agrietamientos es conveniente utilizar arenas con granos de textura rugosa, y tener en cuenta además que en clima caliente y de muchos vientos, el agua tiende a evaporarse mas rápidamente produciendo tensiones internas en el mortero, que se traducen en grietas visibles.

La retracción es proporcional al espesor de la capa, a la riqueza en cemento de la mezcla y a la mayor absorción de la pared sobre la que se vaya a aplicar.

• Adherencia: es la capacidad de absorber, tensiones normales y tangenciales a la superficie que une el mortero y una estructura, es decir a la capacidad de responder monolíticamente con las piezas que une ante solicitudes de carga.

En el caso de la mampostería, para obtener una buena adherencia es necesario que la superficie sobre la que se va a colocar el mortero sea tan rugosa como sea posible y tenga una absorción adecuada, comparable con la del mortero.

120

• Resistencia: Si el mortero es utilizado como pega, debe proporcionar una unión resistente. Si el mortero va a ser utilizado para soportar cargas altas y sucesos, tal es el caso de la manipostería estructural, debe poseer una alta resistencia a la compresión.

Para diseñar morteros de alta resistencia se debe tener en cuenta que para un mismo cemento y un mismo tipo de agregado fino, el mortero más resistente y más impermeable será aquel que contenga mayor contenido de cemento para un volumen dado de mortero; y que para un mismo contenido de cemento en un volumen determinado de mortero el más resistente y probablemente el más impermeable será aquel mortero que presente mayor densidad, o sea aquel que en la unidad de volumen contenga el mayor porcentaje de materiales sólidos.

El tamaño de los granos de la arena juega un papel importante en la resistencia del mortero; un mortero hecho con arena fina será menos denso que un mortero hecho con arena gruesa para un mismo contenido de cemento.

Por último el contenido de agua del mortero tiene influencia sobre su resistencia; los morteros secos dan mayor resistencia que los morteros húmedos, porque pueden ser más densamente compactados.

• Durabilidad: Al igual que en el concreto, la durabilidad se define como la resistencia que presenta el mortero ante agentes externos como: Baja temperatura, penetración de agua, desgaste por abrasión y agentes corrosivos. En general, se puede decir que morteros de alta resistencia a la compresión tienen buena durabilidad.

• Apariencia: La apariencia del mortero después de fraguado juega un importante papel en las maniposterías de ladrillo a la vista; para lograr una buena apariencia es necesario aplicar morteros de buena plasticidad.

DISEÑO DE MORTEROS CON CEMENTO PORTLAND

Al igual que en el concreto, existen numerosos métodos para diseñar morteros, pero todos ellos son de ensayo-error. A continuación se expondrá uno de ellos:

PASO 1: Contenido de cemento. Los gráficos No. 10 y 11 obtenidos de la investigación realizada por el Ingeniero Rodrigo Salamanca

en el Laboratorio de Ensayos e Investigaciones de la Universidad Nacional de Bogotá o del gráfico No. 13 obtenido por el ingeniero Josué Galvis R., con las arenas regionales, en su investigación "Diseño de mezclas de concreto y mortero para la ciudad de Manizales", permiten obtener el contenido de cemento, sabiendo la resistencia esperada de éste a los 28 días y su manejabilidad; los gráficos 10 y 13 son para morteros plásticos, con una fluidez entre 100 y 115% y el gráfico 11 es para morteros medianamente fluidos.

PASO 2: Contenido de agua. El gráfico No. 12 de la investigación del ingeniero Salamanca permite calcular el contenido de

agua por m3 de mortero con base en la resistencia a la compresión a los 28 días; el gráfico trae la relación agua-cemento y conocida ésta y el contenido de cemento, se puede encontrar la cantidad de

121

agua, el gráfico No. 14 que pertenece a la investigación del ingeniero Galvis, también trae la relación agua-cemento Vs resistencia a los 28 días.

PASO 3: Contenido de arena. Para calcular el contenido de arena se resta a 1 m3 de mortero, el volumen de cemento, de agua y

de aire incluido.

V arena = 1 - (V cemento + V agua + V aire)

PASO 4: Cálculo del volumen de arena. Volumen de Cemento = al peso del cemento obtenido en el paso 1 dividido por la densidad del

cemento que varia entre 3,05 y 3,18 g/cm3.

El volumen de arena es igual al peso de la arena dividido entre el peso específico saturado y superficialmente seco de la arena, obtenido en ensayo de laboratorio.

El volumen de aire incluido es de 3.5% aproximadamente y se refiere a la cantidad de aire que en forma de burbujas queda atrapado en la masa del mortero una vez compactado.

Ejemplo de dosificación:

Se pretende dosificar un mortero para una resistencia a la compresión a los 28 días de 210 kg/cm3

(3000 psi).

El mortero es plástico con una fluidez entre 100 y 115%. El módulo de finura de la arena es 3.0.

PASO 1: Cuantía del Cemento

En el gráfico No. 10, con la resistencia a la compresión de 210 kg/cm2 con y el módulo de finura de la arena de 3.0 se obtiene:

Cemento = 480 Kg por m3 de mortero.

PASO 2: Cantidad de agua

En el gráfico No. 12 con la resistencia a la compresión a los 28 días se encuentra:

Relación agua-cemento: A/C = 0.52

Luego: Cantidad de agua =

A/C = 0.52

A = 0.52 x 480 = 250 litros

Agua = 250 litros por m3 de mortero.

122

PASO 3: Contenido de arena.

Se sabe por ensayos de laboratorio que:

-Densidad del cemento = 3.08 g/cm3 = 3080 kg/m3

-Peso especifico de la arena saturada y superficialmente seca = 2.55 g/cm3

-Peso unitario suelto de la arena =1.6 g/cm3

-Volumen del cemento: Ve

Ve = ^ ^ k g _ o. 156 m3 por m3 de mortero 3080

-Volumen de agua = 250 litros = 0.250 m3

-Volumen de aire incluido = 0.035

-Luego el volumen de arena V ar será:

V ar = 1 - Ve - V agua - V aire

V ar = 1 - (0.156 + 0.250 + 0.035)

V ar = 0.441 m3 por m3 de mortero

- Masa de la arena = Var x Densidad de la arena.

Masa de arena = 0.441 x 2550

Masa de arena = 1124.6 kg por m3 de mortero.

Para una masa unitaria suelta de la arena de 1.6 g/cm3 se tiene:

1124.6/1600 = 0.703 m3 por m3 de mortero.

Luego las proporciones del mortero al peso serán: 1:2,3, es decir 1 de cemento, 2,3 de arena.

Al igual que en el concreto, al dosificar el mortero con la anterior proporción, debe hacerse la respectiva corrección por humedad de la arena en el momento de mezclado.

FLUJO: 102% a 113%

400

380

360

340

320 E CT 300

g 280 co si 260 O oo ™ 240 <

O 220 C/J g 200 CL

O 130 O í 160 <

< 140 O 5 120 t -tn Ui 100 LU tz

80

60

40

20

100 200

MODULO DE FINURA 3,0 2,0

3,5 2,5

300 400 500 •j 6 00 700 CONTENIDO DE CEMENTO EN kg/n*> (R3 del cemento = 100 kg/cm*)

GRAFICA No. 11. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO MORTERO HÚMEDO

124

FLUJO: 12A% a 130% MODULO DE FINURA

3,0 2,0 3.5 2,5

100 200 300 A00 500 600 700 CONTENIDO DE CEMENTO EN Kg/m* (R3 del cemento = 100 Kg/cm?)

GRAFICA No. 11. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO MORTERO HÚMEDO

125

RELACION AGUA = CEMENTO

0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1,4 1

Cemento con R 3 = 100 Kg/cm2

6 1.8 -2,0 2.2 2,4 2.6 2,8 3,0

1

\ i

\ \ \ \ \ V \

\

1.0 2,0 3,0

A/C = 8.58 R n 7 R2 8 = 55.1 (A/C)"2-13

GRAFICA No. 11. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO MORTERO HÚMEDO

126

CONVENIO U. NACIONAL - COMITE CAFETEROS MORTEROS CON ARENA DEL RÍO CHINCHINÁ

320

300

280

260

2 40

220

200

180

1 60

1 40

1 20

1U0

80

60

40

20

0

1 00 150 200 250 300 350

CONTENIDO DE CEMENTO (Kg/M3) • R; 0,82E— ST< [C] 0,32

GRAFICA N° 13. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO K>

¡3 CONVENIO U. NACIONAL - COMITE CAFETEROS 00

MORTEROS CON ARENA DEL RIO CHINCHINA

500

O £ n > z o

O 3

z > Q O z

£ Q O-Z > O c > n m m Z 3

"E

en

to <

00 CSJ IA O

< <

O Z UJ h-í£! </> UJ a:

400

300

200

100

RELACION AGUA/CEMENTO (Kg/Kg) ° R= 83.57 k(a/c) -2,59 ij

ü

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129

CAPÍTULO 4

MATERIALES CERÁMICOS

INTRODUCCIÓN

Material cerámico significa material sometido al fuego.

Los materiales cerámicos aplicados en construcción tienen por objeto sustituir la piedra natural, bien sea porque ésta falte o para obtener materiales pétreos con propiedades y características distintas de los naturales, por lo que se denominan piedras artificiales.

Los materiales cerámicos se clasifican en dos grandes grupos:

a) Productos cerámicos que adquieren la consistencia requerida por medio del fuego. b) Productos cementados, formados por la combinación de aglomerantes y acrílicos preparados

en frío, que toman consistencia por medio del proceso químico de fraguado.

COMPOSICIÓN

Los materiales cerámicos están compuestos principalmente de arcilla, tienen además un porcentaje de óxidos de sílice, aluminio, hierro, calcio y magnesio; al óxido de aluminio deben los materiales cerámicos su resistencia al fuego y al óxido de hierro su coloración.

ARCILLAS

Son agregados de partículas microscópicas o submicroscópicas derivados de la descomposición química que sufren las rocas. Son suelos plásticos dentro de límites extensos en contenido de humedad y cuando están secos son duros, pero vueltos a amasar con agua adquieren su plasticidad; tienen una permeabilidad muy baja.

La característica específica de la arcilla es la cohesión o resistencia cohesiva que aumenta al disminuir la humedad. Es difícil de compactar en estado húmedo, e imposible de drenar por métodos ordinarios. Compactada es resistente a la erosión y a la tubificación. Esta sometida a la expansión y retracción con los cambios de la humedad y con la actividad de los minerales arcillosos que la componen.

Sus propiedades dependen no sólo del tamaño y forma de la partículas sino también de su composición mineral y del medio químico o de la capacidad de intercambio iónico.

• Minerales arcillosos: Los minerales arcillosos son especialmente silicatos de aluminio, hierro o magnesio, algunos también contienen álcalis y/o tierras alcalinas, con componentes esenciales. Estos

128

minerales son en su mayoría cristalinos y los átomos que los componen están dispuestos en modelos geométricos definidos. La mayoría de los materiales arcillosos tienen estructuras laminares o en capas. Sólo unos pocos tienen estructuras tubulares o fibrosas. Normalmente una masa de suelo contiene una mezcla de varios.

Los minerales arcillosos tienen tamaños muy pequeños, menores de 2 mm y sus partículas son electroquímicamente activas; presentan afinidad por el agua y tienen gran plasticidad. Todos los minerales arcillosos están básicamente formados por dos unidades elementales, una es la de sílice en la que cuatro oxígenos forman las puntas de un tetraedro y encierran un átomo de silicio. La otra está encerrada por átomos de aluminio o magnesio, y a veces de hierro, níquel, cromo o litio, por seis oxidrilos que tienen la conformación de un octaedro, unidad se llama brucita si el átomo encerrado es el de magnesio y gibsita si el átomo encerrado es de aluminio.

Todas las combinaciones posibles de estas unidades básicas para formar minerales arcillosos producen una carga neta negativa en el exterior de los grumos; una suspensión de suelo arcilloso-agua tiene una reacción alcalina Ph > 7, siempre y cuando el suelo no esté contaminado con una sustancia ácida.

La principal fuente de minerales arcillosos es la meteorización química de las rocas que contienen:

- feldespato ortoclásico - feldespato plagioclásico - mica (muscuvita),

que se catalogan como silicatos complejos de aluminio. Sin embargo de acuerdo con investigaciones recientes (Grimm 1968) los minerales arcillosos pueden formarse a partir de cualquier roca, siempre y cuando existan suficientes álcalis y tierras alcalinas para efectuar los procesos químicos necesarios.

La acción de meteorización en las rocas produce un gran número de minerales arcillosos con la propiedad común de afinidad por el agua pero en cantidades ampliamente diferentes.

Principales Minerales Arcillosos

a) Caolinita: La unidad estructural de la caolinita consta de capas alternadas de tetraedros de silicio con las puntas embebidas en una unidad octaédrica de alúmina (gibsita), es decir, que la estructura básica de la caolinita está formada por una capa de gibsita sobre una capa de sílice, razón por la cual este mineral se denomina de dos capas o bicapa, disposición que da por resultado una considerable resistencia y estabilidad con escasa tendencia a las intercapas para absorber agua y expandirse, razón por la cual la caolinita es poco activa.

Otro mineral arcilloso de la familia de la caolinita es la haloisita; difiere de la primera en que las dos láminas de sílice y gibsita (unidad fundamental) están enrolladas en tubos, por lo cual es muy liviana e inestable en procesos de secado.

Las arcillas caoliniticas y haloisiticas se encuentran en sitios muy lluviosos, pero bien drenados; se emplean principalmente en la fabricación de porcelanas por la ausencia de hierro.

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b) Ilita: Se obtiene principalmente de la muscuvita y la biotita y a menudo se llama arcilla micácea. La ilita está formada por una capa octaédrica de gibsita entre dos capas de tetraedro de silicio, lo que produce un mineral de tres capas con la diferencia adicional de que algunas de las posiciones del silicio están llenas con átomos de aluminio y que entre las capas hay adheridos iones de potasio que producen la deficiencia de carga, esta unión se traduce en una condición menos estable y en consecuencia en una actividad mayor.

La vermiculita es un mineral arcilloso de la familia de la ilita excepto por la presencia, entre las láminas, de una doble capa molecular de agua mezclada con iones de calcio o de magnesio, en la que se sustituye la gibsita por la brucita. La vermiculita se expande a temperaturas considerablemente altas, debido a que las capas de agua se transforman en vapor de agua con grandes expansiones.

Tanto la ilita como la vermiculita son utilizadas para fabricar objetos livianos por su baja densidad.

c) Montmorillonita: Está formada por unidades laminares ordenadas en estructuras de tres capas; el enlace entre lámina constituido por las fuerzas de Van der Wals es muy débil; se producen varias sustituciones de átomos de aluminio por silicio y de magnesio, hierro, litio o zinc por aluminio en la capa octaédrica. Estos intercambios producen una carga negativa neta relativamente grande en el mineral, ocasionando una gran capacidad de intercambio catiónico y afinidad por el agua.

La meteorización de minerales arcillosos montmorilloníticos produce a menudo arcillas caoliníticas; en áreas en donde la meteorización ha progresado ambos minerales se encuentran presentes.

La montmorillonita, el mineral arcilloso mas activo de los que se ha enumerado, se forma en ambientes húmedos y de escaso drenaje; en Colombia se encuentra en la cordillera central y en la región norte.

La bentonita es una arcilla montmorillonita que se encuentra en depósitos volcánicos fácilmente meteorizados; es particularmente activa en términos de expansión en presencia de agua, se usa en la perforación de pozos petroleros y en la exploración de suelos como lodos de percolación.

Las propiedades de la bentonita son variables de acuerdo al origen y grado de meteorización del material volcánico original. En el país se encuentra en el Valle del Cauca.

Plasticidad de la arcilla

La plasticidad es quizás la propiedad de la arcilla que mas interesa en la fabricación de materiales carámicos y se define como la propiedad del suelo al agregarle agua de formar una masa suave y manejable; una vez cocida a una determinada temperatura, pierde esta propiedad.

Cuando la masa es muy plástica aproximadamente un 80% de arcilla, se denomina grasa; en este caso la superficie tiende a secarse y agrietarse; se corrige echando material no plástico (arena, polvo de roca, etc). Cuando la masa es poco plástica, aproximadamente 40% de arcilla, se denomina árida o magra, se corrige quitando material no plástico mediante tamizado. La arcilla destinada a la fabricación de materiales para la construcción no debe ser ni muy magra ni muy grasa.

130

Las arcillas al ser cocidas sufren los siguientes procesos:

- A una temperatura entre 100 y 250°C se elimina el agua higroscópica adquiriendo porosidad.

- Entre 250 y 600°C pierden el agua de absorción y sufre una disociación del sílice y la alúmina.

- Entre 600 y 800°C adquieren propiedades puzolánicas.

- De 800 a 1200°C, las arcillas calizas eliminan el anhídrido carbónico con gran retracción hasta en 10%.

- De 1200 a 1500°C se vitrifican.

Los productos cerámicos que se obtienen mediante cocción de la arcilla se clasifican en:

a) Simples, son aquellos que se obtienen con un sólo fuego y no tienen vidriado, y a su vez se clasifican en:

- Ordinarios: ladrillos, tejas, baldosas y tubos sin vidrear, fabricados con arcillas impuras.

- Refractarios: se fabrican con arcillas aluminosas libres de óxidos; soportan altas temperaturas sin quemarse ni fündirse, como los ladrillos y placas para revestimientos de hornos y chimeneas.

b) Compuestos: materiales cerámicos que se fabrican con dos fuegos con recubrimiento o esmalte, pueden ser:

- Gress: se fabrican con arcillas carbonosas; con el fuego adquieren estructura compacta; no tienen recubrimientos, como los tubos para la conducción de ácidos.

- Porcelana: se fabrican con arcillas ricas en caolinita, funden a 1400°C se vitrifican y se emplean en la fabricación de vajillas, piezas decorativas, aisladores eléctricos, etc.

- Mayólicas: se fabrican con arcilla calcárea y arena, con el vidreado se impermeabilizan; se usan para fabricar piezas decorativas y para recubrimiento.

Características

Comúnmente los materiales cerámicos son:

• duros

• frágiles

• alto punto de fusión

• bajas conductividades eléctrica y térmica

• adecuadas estabilidades química y térmica

• altas resistencias a la compresión, tensión y flexión.

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Ventajas

a) Tienen diversidad de usos: para rayos láser, motores de combustión, elementos de control, elementos para purificación de gases, etc.

b) Presentan un buen desempeño funcional. c) Son durables. d) Poseen una versatilidad en servicios.

LADRILLOS

Son elementos constructivos en forma de prisma rectangular que pueden ser de arcilla cocida o arcilla cruda; a estos últimos se les llama adobes y sólo son utilizados en cercas o construcciones pequeñas, tienden a ser reemplazados por los bloques o por los ladrillos cocidos.

Hoy en día se utiliza el adobe reforzado con fibras naturales, como fique, poliester o paja; también se hacen mezclando la arcilla con un 5% de cemento con el objeto de dar mayor resistencia.

Producción

ESQUEMA DE PRODUCCIÓN

ARCILLA DESGRASANTES

Generalmente la materia prima no se presenta preparada para el uso, sino que se necesita tratamientos adecuados de excavación, de molturación, de mezclado con diferentes materiales y frecuentemente también con agua. El modo de presentarse la materia prima y el tipo de yacimiento (profundidad de las excavaciones, irregularidades de estratificación), así como la compacidad y mezcla con material extraño nocivo, el grado de humedad natural, etc., definen los tipos de máquinas que se pueden emplear para la extracción.

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En el proceso de preelaboración, la dureza de uno o más componentes, las dimensiones con las que puede venir del yacimiento, la mayor o menor dificultad de absorber los contenidos de humedad necesarios, lleva respectivamente a la elección de ciertas máquinas de molturación y a establecer el tiempo necesario de reposo antes del moldeo. Este tipo de reposo se conoce con el nombre de meteorización (preenvejecimiento) que se realiza antes de ser llevado al pudridero.

El envejecimiento o maduración es un proceso bastante importante porque afecta positivamente la calidad de la arcilla pues reduce la temperatura de cocción entre 65 y 70°C, disminuye la contracción total, se ahorra entre un 8 y 10% de combustible, se tiene menos desechos y se aumenta la resistencia mecánica en seco y cocido, al mismo tiempo que se disminuye la porosidad de la pieza cocida.

El tiempo de maduración y los efectos logrados varían según el tipo de arcilla.

El material se pasa luego por una sucesión de molinos (trituración y molienda) que le dan al grano de arcilla las dimensiones apropiadas para su propia manipulación.

La materia básica para la fabricación del ladrillo, es una mezcla, más o menos natural de arcilla y otros componentes, salvo casos excepcionales la mezcla fina se prepara con porcentajes de humedad variable en función de la materia prima, de los tipos de producción deseados y de las máquinas empleadas. El agua proporciona a la mezcla plasticidad.

La pasta sale del molde en forma continua, y se corta en piezas de longitud preestablecida por una máquina automática denominada cortador. Una vez moldeados los productos, la humedad se extrae mediante el secado al aire. Posteriormente son transportados, amontonados en pilas de gran altura en el horno y cocidos a elevada temperatura.

Las arcillas calentadas a elevada temperatura (800°C aprox.) sufren cierta contracción, adquiriendo la dureza de la piedra y una sonoridad metálica característica, la porosidad se deriva de los huecos resultantes de la expulsión del agua.

Clasificación

Los ladrillos se pueden clasificar según:

• La materia prima.

a) Cerámica roja, cuando la materia prima tiene alto contenido de óxido de hierro. b) Escoria de carbón, proveniente de los desechos de carbón utilizados para mover turbinas;

contienen escoria propiamente dicha y Fly-ash o ceniza fina; no son plásticas, por lo que hay que adicionarle entre un 5 y 15% de arcilla plástica para el moldeo.

El ladrillo fabricado con estas escorias presenta algunas ventajas frente al ladrillo convencional, a saber:

- Bajas absorciones, baja porosidad, por la alta presión en la fabricación. - Alta resistencia a la compresión.

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- No presenta eflorencia pues no contiene sales solubles. - Bajas retracciones por la humedad de moldeo, (7-8%) por lo tanto uniformidad en el tamaño

y economía en el repello. - Costos muy bajos de producción debidos a la materia prima, al secado y a la cocción. - Beneficios ecológicos.

c) Silíceos - Calcáreos, son hechos con material resultante de la combinación de materiales puzolánicos, cal y agua.

• Forma. a) Macizo o tolete. b) Hueco, con discontinuidades en la matriz, el volumen de los huecos es superior a un 30% del

volumen total.

Si las perforaciones son verticales el ladrillo se llama limpio y si son horizontales el ladrillo se llama farol.

• El uso. a) Para interiores, tienen poca resistencia a la intemperie, humedad, sal, viento helado, su

temperatura de cocción es entre 800 y 900°C. b) Para exteriores, temperatura de cocción entre 1000 y 1050°C, tienen alta resistencia a la

intemperie y se usan en fachadas.

• El proceso de fabricación. - Ladrillos de tejar o chircal, hechos a mano en horno árabe. - Ladrillos de mesa, hechos a mano pero tienen un mejor acabado superficial. - Ladrillos mecánicos o extruidos. - Ladrillo prensado.

• Según norma NTC No.451 de acuerdo a su resistencia a la compresión.

- Tipo I. - Tipo II. - Tipo III.

• Por su cocción. - Adobe, seco al sol. - Santo vitrificado, por exceso de cocción son deformados y negruzcos. - Escafilado, parcialmente vitrificado con parches. - Recochos, son aquellos sometidos a una cocción correcta. - Pitones, presentan manchas pardas y rojizas por la poca uniformidad en la cocción. - Porteros, poco cocidos por su ubicación en el horno.

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TABLA No. 29. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y A LA FLEXIÓN

TIPO

RESISTENCIA MÍNIMA A LA COMPRESIÓN kg/cm2

ÁREA O SECCIÓN BRUTA TIPO PROMEDIO DE 5 UNIDADES INDIVIDUAL TIPO

MACIZO HUECO MACIZO HUECO

Tipo I 300 70 250 60

Tipo II 200 50 150 40

Tipo III 80 40 60 30

TIPO ABSORCIÓN % RESISTENCIA A LA FLEXIÓN

kg/cm2

Tipo I 12 40

Tipo II 16 30

Tipo III 20 20

• Densidad: La densidad promedio para un ladrillo macizo es de 1,75 g/cm3 y para un hueco es de

1 g/cm3.

A simple vista un buen ladrillo se reconoce por las siguientes características:

- no tiene grietas.

- uniformidad en el color.

- sonido metálico.

- masa es homogénea.

- aristas vivas, es decir bien definidas.

- formas y dimensiones iguales.

- no es muy frágil.

- no es muy poroso.

- presenta facilidad de corte.

- no tiene alabeo.

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Propiedades químicas

Los ladrillos tienen resistencia a la humedad o acción química del agua, y a la acción de sales y ácidos asociados. Esta resistencia depende de:

-temperatura de cocción, -porosidad. -intensidad en la sintetización, es decir, intensidad en la soldadura a nivel molecular. -propiedades químicas de la arcilla. -permeabilidad.

Las características de un ladrillo con buena resistencia química son:

-absorción entre 6 y 7% -resistencia mecánica a la compresión muy alta. -una pérdida de masa por disolución no mayor del 3%, cuando se coloca en ebullición, por una hora en ácidos concentrados.

Estos ladrillos se utilizan en torres para ácidos, ductos para la conducción de gases, calderas, etc. En general, el ladrillo común no tiene buena resistencia química.

PATOLOGÍAS DEL MATERIAL CERÁMICO COMO ACABADOS DE FACHADA

En la superficie de los ladrillos colocados a la vista y en los enchapes, frecuentemente aparecen manchas de diferentes colores y formas que si bien no producen daño físico en éstos, si distorsionan y afean la apariencia estética de todo el conjunto.

De acuerdo con su origen y apariencia, a estas manchas se les dan distintos nombres: exudados, eflorescencias, salitres, natas, musgos, hongos, etc., pero hay que considerar que lo importante no es el nombre sino la causa que lo produce y la forma de evitarlas o eliminarlas.

En términos generales se puede decir que estas manchas son producidas por sales, musgos, materia orgánica, mugre, microorganismos y reacciones químicas que a su vez producen sales; pero el agua es el elemento nocivo que produce estos males.

i Cabe anotar que la porosidad del material cerámico, definida como dimensiones y distribución

de los poros, modifica mucho la aparición de estos fenómenos.

Por sales

Cuando las manchas son el resultado de las sales solubles que se encuentran en la mampostería, éstas pueden provenir del mortero, del material cerámico o de ambos materiales; generalmente son de color blanco.

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Si provienen del mortero son sales solubles de calcio que son componentes del cemento o de la cal que se agrega como aditivo, o del agua de preparación.

En el caso de que las sales estén contenidas en el material cerámico, pueden tener su origen en la materia prima, en el proceso de producción o haber sido absorbidas por éste cuando se arruma sobre suelos salinos, cenizas, desechos orgánicos o inorgánicos, residuos que contengan salitres etc.

Hay que tener en cuenta que estas sales se disuelven en el agua con que se mojan los ladrillos y son arrastradas a la superficie, donde al evaporarse, quedan en forma sólida dando lugar a las manchas de color blanquecino generalmente y se denominan en forma genérica como eflorescencias.

Son muchos y complejos los factores que influyen en la formación de manchas, ya que los elementos bajo las mismas condiciones de calidad, fabricación y puesta en obra pueden presentar:

• Manchas que cubren completamente la cara del ladrillo.

Manchas que afectan solamente las juntas del mortero y el borde del ladrillo.

Manchas anulares en las caras de los ladillos.

Manchas en el centro de las caras de los ladrillos.

El agua es el factor principal y necesario para que las manchas se formen.

•x Por microorganismos y materia orgánica

Estos elementos producen manchas de color oscuro y en su desarrollo es imprescindible la presencia de agua, es decir, se desarrollan en medios húmedos.

La materia orgánica puede venir del agua de preparación del mortero, impurezas de las materias primas, de los ladrillos (raramente) y de la atmósfera. La materia orgánica con la humedad del muro es transportada a la superficie en los dos primeros casos y se adhieren al muro en el tercero. Debido a su permanente exposición al aire, se oxida produciendo su color oscuro característico. Estas condiciones de humedad en elementos con saturación permanente y en sitios sombreados, propician el desarrollo de organismos vegetales como algas, hongos, liqúenes (lama) etc.

Por mancha de vanadio (verde-amarillenta)

El vanadio es una impureza que se encuentra en algunos yacimientos de arcilla y aunque, generalmente, su proporción es baja, ocasiona manchas bastante visibles en los elementos producidos por esta arcilla.

Generalmente, hace su aparición en el centro de la pieza inmediatamente el elemento arcilloso es retirado de los hornos, inicia su etapa de reabsorción, principalmente, cuando el ambiente posee una humedad relativa considerable, que oscila entre el 0.5 y 3%.

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Para proteger el material cerámico utilizado como fachada, se deben emplear productos hidrófugos e impermeabilizantes.

Los hidrófugos son los productos que tienen la propiedad de repeler el agua. En nuestro medio los más utilizados son las siliconas en sus distintos tipos. Cuando se impregna una superficie con un hidrófugo, éste no sella los poros sino que los reviste interiormente y por lo tanto permite que el agua contenida en el mismo salga al exterior hasta equilibrar la presión de vapor de agua del interior con la presión del vapor de agua de la atmósfera.

Los impermeabilizantes son productos que tienen la propiedad de impedir que el agua penetre a través de la superficie sobre la que se aplica, debido a que forma una película continua que sella los poros.

A este tipo de material pertenecen el alquitrán, la brea, las resinas acrílicas, y cierto tipo de pinturas etc.

VIDRIO

Es otro de los materiales cerámicos usados comúnmente en la construcción, es un material compacto, homogéneo, transparente y muy resistente a la acción de los agentes atmosféricos.

La fabricación del vidrio está basada en las propiedades del cuarzo, que mezclado con la potasa y la sosa le dan la transparencia, inalterabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas. Con el silicato de potasio y óxido de plomo se obtiene el cristal; con el silicato de sodio y la cal se obtiene el vidrio común y con el silicato de potasio y la cal se obtienen vidrios resistentes a altas temperaturas. En general, los vidrios y cristales son mezclas de silicatos de sodio y potasio con pequeñas cantidades de magnesio, aluminio y óxidos de hierro y manganeso.

Propiedades físicas y mecánicas

El vidrio no posee punto de fusión fijo, sino temperatura de reblandecimiento; a rojo blanco es muy fluido prestándose para el calado en moldes; al descender al rojo cereza pasa al estado plástico; cuando esta licuado puede soplarse, moldearse y estirarse.

Su peso específico promedio varía entre 2,40 - 2,72. Su dureza y brillo aumentan con el contenido de cal y disminuyen con el óxido de plomo; su dureza, en la tabla de Mohs varía entre 4 y 8.

El módulo de elasticidad es de 700000 kg/cm2 y la tensión de seguridad es de 25 kg/cm2.

Su resistencia a la compresión y a la flexión es de 125 kg/cm2. Sin embargo, su resistencia depende en gran parte del estado de su superficie, rayones, daños físicos y ataques químicos, la reducen considerablemente.

La Tabla No.30 resume el máximo esfuerzo a que puede estar sometido cada tipo de vidrio, para un porcentaje de ruptura no superior al 1% en vidrios de 4 mm de espesor.

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TABLA No.30. ESFUERZO MÁXIMO SEGÚN TIPO DE VIDRIO

TIPO DE VIDRIO CARGA PERMANENTE CARGA MOMENTÁNEA

Vidrio plano estirado 2200 Lb/pul2 4500 Lb/pul2

Vidrio plano flotado 1500 Lb/pul2 3000 Lb/pul2

Vidrio plano pulido 1400 Lb/pul2 2500 Lb/pul2

Vidrio plano grabado 1100 Lb/pul2 2100 Lb/pul2

El vidrio conserva un tinte verdoso, visible en el corte. El cristal es mas puro, incoloro, transparente y brillante.

Propiedades acústicas

Las propiedades acústicas se refieren a la capacidad que posee el vidrio de detener o disminuir la intensidad de un ruido.

Una lámina de vidrio tiene una capacidad de aislamiento relativamente bajo. En la Tabla No.31 se dan los aislamientos acústicos en función de algunas dimensiones de la lámina de vidrio, estos valores pueden incrementarse usando vidrios laminados o unidades dobles o triples de vidrio, separadas por cámaras de aire.

TABLA No. 31. AISLAMIENTOS

ESPESOR NOMINAL

(mm)

ALTURA FIJA (cm)

ANCHO VARIABLE

(cm)

PESO kg/m2

TOLERANCIA ESPESOR

(mm)

AISLAMIENTO ACÚSTICO (decibéles)

2 240 100 5.20 1.8 a 2.2 26

3 240 140 7.21 2.7 a 3.2 27

4 240 180 9.52 3.7 a 4.2 28

5 240 200 12.07 4.6 a 5.2 29

6 240 240 320 14.60 5.6 a 6.3 30

7 240 260 280 300 360 16.09 6.6 a 7.3 31

10 240 225 23.37 9.2 a 9.8 33

Expansión térmica

El coeficiente lineal de expansión térmica para el vidrio por variación de temperatura en grados centígrados es de 8.5xl0"6 dilatación relativamente baja. Esta dilatación debe tenerse en cuenta cuando se instalan vidrios en marcos metálicos, para evitar la rotura de los vidrios como resultado de la contracción o dilatación de los marcos.

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La tabla No.32 presenta la expansión térmica para algunos materiales empleados en la construcción.

TABLA No.32. EXPANSIÓN TÉRMICA

MATERIAL EXPANSIÓN TÉRMICA x °C Plástico acrílico 90 x ÍCT6

Aluminio 24 x 10"6

Hierro fundido 11 x 10"6

Concreto 9 a 12 x 10'6

Acero 12 x 10-6

Ladrillo 9 a 10 x 10"6

Vidrio 8.5 x 10"6

Producción del vidrio

Para la fabricación se siguen las siguientes etapas:

a) Preparación de la mezcla. b) Fusión. c) Extracción de impurezas. d) Elaboración e) Recocido.

En Colombia se produce el vidrio plano estirado, utilizando el proceso Fourcault. En este proceso el vidrio es estirado verticalmente y en forma continua desde el Debiteusse (bloque refractario que flota sobre el vidrio fundido), hasta las máquinas en donde es cortado en diferentes medidas. La temperatura del vidrio y la velocidad de las máquinas definen el espesor de la lámina. Durante el recorrido desde el Debiteusse hasta la máquina cortadora el vidrio es sometido a un proceso de recocido que le permite ser cortado fácilmente.

Aunque los vidrios producidos por este proceso son de gran calidad, hay algunas limitaciones en medidas y espesores y pueden presentar cierto grado de ondulación.

Existen otros procesos para la fabricación del vidrio tales como: Vidrio soplado. El soplado del vidrio se hacía antiguamente por expertos operarios, pero en la actualidad se dispone de máquinas especiales para el efecto. La masa fluida se coloca en el extremo de un caño y se sopla, luego se coloca la ampolla dentro de un molde y se produce la forma deseada. Para producir vidrio plano por soplado de esta manera se corta la ampolla una vez enfriada según una generatriz y se vuelve a calentar para desarrollarla y aplanarla sobre una plancha metálica muy pulida.

Vidrio colado, se obtiene laminando una masa de vidrio en estado pastoso entre un cilindro y una plancha metálica muy pulida.

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Vidrio hilado, se produce haciendo pasar el vidrio fundido a través de unas boquillas muy finas y luego se enrolla en carreteles especiales.

BIBLIOGRAFÍA

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CAPÍTULO 5

LA MADERA

INTRODUCCIÓN

La madera es un material renovable que el hombre ha utilizado desde tiempos remotos para diferentes fines: Elaboración de herramientas, utensilios, muebles, etc., fue el primer material de construcción trabajado por el hombre, que le proporcionó protección.

En Colombia, como en el resto del mundo, la madera se ha utilizado desde la prehistoria; se tomaba de las zonas periféricas de los asentamientos, y servía para confeccionar utensilios, herramientas, elementos constructivos de puentes, templos y tumbas.

En la época Colonial se utilizó en gran cantidad de viviendas, construcción de conventos y museos, especialmente en pisos, muros, armaduras para techos y en obras complementarias como barandas, cornisas, rejas, ventanas y puertas.

En la época republicana se diferencian dos períodos: en el primero se utilizó la madera como parte integral de la construcción en combinación con el adobe y el bahareque, lográndose viviendas que aún existen; en el otro período se utilizaron otros materiales como el concreto y el ladrillo, la madera sólo para ventanas, puertas y pisos.

En la época actual, el uso de la madera en la construcción se reduce a la fabricación de viviendas rústicas y temporales de poco valor; eso si se emplea en formaletería, puertas, ventanas, muebles y pisos; los avances tecnológicos para su procesamiento han desarrollado técnicas de secado y preservación que contrarrestan sus desventajas y permiten el uso con un alto grado de confiabilidad como sucede en países de alta vocación maderera tales como Estados Unidos y Canadá.

El actual déficit de vivienda en países cubiertos de bosques como Colombia, Ecuador y en general los de la región Andina hace que la madera constituya una alternativa de construcción, máxime si se considera además del potencial maderero de estos países, las excelentes características físicas y mecánicas de sus especies nativas.

En Colombia existen aproximadamente 36 millones de hectáreas de bosques naturales, caracterizados por la diversidad de especies.

CARACTERÍSTICAS

La madera es un material que se caracteriza por ser:

a) Higroscópico: porque es capaz de perder o ganar humedad para ponerse en equilibrio con el medio ambiente.

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b) Heterogéneo: por células de diferentes tamaños y grosores, las propiedades varían de un árbol a otro de la misma especie y a lo largo de un mismo tronco.

c) Anisotrópico: Las propiedades físicas, mecánicas y de trabajabilidad son diferentes según el plano considerado.

d) Biodegradable: Puede ser atacado por hongos e insectos. La magnitud del daño depende de las características de madurez y del grado de protección que se le de.

e) Combustible: Por su composición química arde fácilmente.

f) Deformable: Cuando está sometido a carga y cuando ésta actúa en forma permanente la deformación es irreversible.

g) Fácil de trabajar, lo que permite diversidad de usos con poco gasto de energía.

VENTAJAS

La madera es un material que se encuentra en grandes cantidades y repartido en casi toda la Tierra, es renovable y sus propiedades vienen impuestas por la naturaleza.

Como elemento vivo, los árboles mejoran el medio, y al enriquecer el aire con oxígeno, suavizan los efectos climáticos; previenen la erosión; protegen las cuencas y conservan el agua.

Como material, la madera tiene ventajas que la ponen a competir con otros materiales:

a) Tiene un amplio rango de pesos específicos. b) Puede dársele cualquier forma. c) A igualdad de peso es el material mas resistente a los esfuerzos. d) Presenta gran variedad de texturas y colores. e) Si se usa correctamente puede durar indefinidamente. f) Compite con otros materiales en costo. g) Necesita menos mano de obra. h) Es un material renovable.

CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA

La madera es un material biológico de origen vegetal. Cuando forma parte del tronco de los árboles sirve para transportar el agua y las sustancias nutritivas del suelo hacia las hojas, da soporte a las ramas que forman la copa y fija las sustancias de reserva almacenando los productos transformados en las hojas.

Botánicamente, los árboles son plantas dotadas normalmente de un sólo tallo leñoso (el tronco) y el follaje sostenido por las ramas leñosas. La mayoría de las especies de árboles son plantas gimnospermas y angiospermas, pero abundan mas las pertenecientes a las angiospermas; estas plantas son conocidas comúnmente como "superiores" y se distinguen de las inferiores por el desarrollo de semillas.

143

• Gimnospermas: Comprende unas 600 especies agrupadas en 47 géneros. De las 5 órdenes vigentes de las gimnospermas el único que tiene interés a nivel comercial es el de las coniferas o resinosas; dentro de este orden están los pinos con mas de 80 variedades, el abeto, el ciprés, el cedro, etc. La característica mas importante de las gimnospermas es que su semilla se encuentra "desnuda", es decir, no está encerrada en un ovario.

/ • Angiospermas: Sus semillas están encerradas en una envoltura tubular llamada ovario. Las

angiospermas predominan hoy en la vegetación de la Tierra, y se han adaptado hasta lograr la supervivencia en cualquier hábitat.

Las angiospermas a su vez se dividen en dicotiledóneas y monocotiledóneas. - Dicotiledóneas: Existen mas de 250.000 especies y comprenden un grupo muy heterogéneo que incluye plantas herbáceas, lianas, arbustos y árboles. Las órdenes maderables se les conoce comercialmente como Frondosas o Latifoliadas y entre ellas se encuentran el roble, el nogal, la haya, la acacia, el sauce, el eucalipto, el chanul, el otobo, etc.

- Monocotiledóneas: Se les llama así porque sus semillas tienen un sólo cotiledón; crecen en estado silvestre en todo el mundo. El corazón del tronco de un "árbol" monocotiledóneo es normalmente una masa esponjosa y fibrosa de tejido y no madera dura. Los troncos de las palmeras constituyen una excepción por tener el corazón mas duro. Se dice entonces, que sus troncos no pueden ser aserrados en secciones de tipo normal como tablas, tablones, etc. Se utilizan frecuentemente para postes y vigas pero en su forma original. En este grupo encontramos la guadua, la chonta, la cañabrava, etc.

Estructura macroscópica

Si se realiza un corte transversal en el tronco de un árbol gimnospermo y dicotiledóneo, se observarán en su orden las siguientes partes a partir de la médula o parte central del tronco y envolviéndola el xilema o estructura leñosa, el cambium, el floema y la corteza. Ver figura No. 14.

FIGURA No.14. ESTRUCTURA MACROSCÓPICA

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a) MÉDULA: Puede ser de sección circular, poligonal o estrellada y puede variar de 1 a 15 mm según las especies. Esta constituida por un tejido flojo o poroso, lo cual disminuye de diámetro a medida que envejece el árbol.

b) XILEMA: Está conformado por los anillos de crecimiento y los radios medulares.

Los anillos de crecimiento son una serie de anillos cilindricos, concéntricos, nacidos en la capa generatriz o cambium. En zonas en las cuales las estaciones son bien marcadas todos los árboles tienen anillos bien definidos. En las zonas tropicales, en donde las estaciones no son muy marcadas, los anillos de crecimiento no siempre se distinguen claramente debido al crecimiento casi continuo del árbol.

Los radios medulares son líneas que van desde el interior hacia el exterior del árbol, siguiendo la dirección de los radios del círculo definido por el tronco, formando el sistema transversal del tronco. Los radios están constituidos por células parenquimáticas, es por ello que son líneas débiles de la madera y durante el secado se producen grietas a lo largo de ellas.

Además el xilema está constituido por:

La Albura, que es un conjunto de células vivas y el Duramen que es un conjunto de células muertas o inactivas.

En una sección transversal de un tronco de un árbol procedente de climas templados, la albura se manifiesta como la capa mas clara y exterior, que posee células parenquimáticas vivas, traqueidas y vasos, así como fibras. Mientras que las células del duramen se manifiesta como la capa mas oscura e interior y en su mayoría son células no conductoras y no almacenadoras.

Las células parenquimáticas de la albura recién formada suelen vivir varios años, al envejecer la albura, y convertirse/en duramen, las paredes de sus células sufren un cambio químico y se hacen mas oscuras y densas.

El duramen contiene además menos humedad que la albura, sus células se llenan a menudo con inclusiones como taninos, resinas, colorantes, aceites, gomas y sales minerales. Las alteraciones de las paredes celulares y esas inclusiones dan a la madera su alto grado de pulimento.

Los taninos actúan como antibiótico protector: Cuanto mas tanino hay en el duramen, mas probabilidades de duración tiene éste; así ocurre, por ejemplo con la caoba y el ébano. En algunas especies no se desarrolla duramen, razón por la que algunos árboles, como álamos y sauces tengan tendencia a ahuecarse cuando envejecen.

Mientras que el grosor del duramen aumenta con el crecimiento del diámetro del tronco, el espesor de la albura sigue siendo prácticamente constante.

c) CAMBIUM: Se forma por diferenciación de las células del xilema primario y floema primario y sus células son aplanadas y de forma de ladrillo y constituye la madera.

145

El cambium puede ser fascicular o interfascicular, según se organice dentro de los paquetes o entre dos paquetes vasculares, respectivamente. El cambium forma hacia afuera floema secundario o liber y xilema secundario o leño, hacia adentro, razón por la cual es llamado también cambium "Dipleúrico"; esto se traduce en un aumento de diámetro del tronco.

d) FLOEMA: Es la parte interior o parte joven de la corteza, y es la porción de tejidos encargada del transporte de agua y alimentos elaborados en las hojas. Cuando las células del floema pierden actividad, los tejidos mueren y pasan a formar parte de la corteza exterior.

e) LA CORTEZA O CORTEX: También llamada cilindro cortical, la corteza propiamente dicha o corteza externa que envuelve el tronco tiene como misión la de proteger y aislar los tejidos del árbol de los agentes atmosféricos y evitar la pérdida de agua de los tejidos internos. La corteza siempre es impermeable.

Estructura microscópica

La madera está constituida por distintas células unidas entre si fuertemente en apretados haces, los cuales forman el tejido leñoso del árbol y son las siguientes:

a) LAS TRAQUEIDAS: Constituye la mayor parte de las fibras de las coniferas. Permiten la comunicación de savia entre célula y célula porque se hallan en pares en las paredes adyacentes de éstas.

b) LOS VASOS: Son característicos de las maderas latifoliadas, son de forma tubuliforme. La comunicación de dos vasos adyacentes a una célula fibrosa, se logra a través de parejas de poros en sus paredes en contacto.

c) LAS CÉLULAS DE SOSTÉN O FIBROSAS: Constituye la mayor parte del tejido leñoso en las maderas latifoliadas y son muy parecidas a las traqueidas. Su función principal es la de soporte mecánico del tronco. Estas células también se llaman Esclerénquima.

d) LAS CÉLULAS DE PARENQUIMA: Son alargadas y de paredes delgadas. Sirven principalmente para la acumulación de sustancias de reserva.

Esta compleja organización estructural hace de la madera un material anisótropo, con propiedades diferentes en sus tres planos normales de corte (longitudinal, radial y tangencial), que la convierten en un elemento muy particular y con propiedades diferentes a otros materiales tradicionalmente empleados en la construcción.

Las células que conforman las distintas maderas son en su mayoría alargadas, ahusadas y huecas de ahí su naturaleza porosa. Estas cumplen distintas funciones en el árbol vivo, variando por lo tanto en su aspecto y conformación. Esta diferencia en la composición celular de los árboles permite agrupar las diversas especies maderables en dos grandes clases: Unas comúnmente llamadas maderas blandas que corresponden a las CONIFERAS y otras comúnmente llamadas maderas duras que corresponden a las LATIFOLIADAS.

146

COMPONENTES QUÍMICOS DE LA MADERA

La madera contiene aproximadamente un 10% de carbono, 43% de oxígeno, 6.1% de hidrógeno, de 0.1% a 0.2% de nitrógeno y de 0.2% a 0.7% de cenizas. Los principales componentes químicos de la madera son de 40 a 60% de celulosa, de 22% al 30% de lignina, y de 12% a 22% de hemicelulosa.

La celulosa es la principal sustancia de sostén por su elevada resistencia y tenacidad al igual que los hidratos de carbono afínes que lo acompañan, llamada hermicelulosa; este par de componentes reciben el nombre de Holocelulosa, y equivalen del 62% al 82% de los componentes de la madera.

La lignina es la sustancia que produce la lignificación de los tejidos del duramen y su principal papel es el de cementación.

La descripción de la madera se da mediante los siguientes planos de corte, esquematizados en la figura No.5:

a) Sección Transversal: Es el corte practicado perpendicularmente al eje principal.

b) Sección Longitudinal: Es el corte paralelo al eje del tronco. El corte longitudinal puede ser:

1. Radial: Si el corte longitudinal se hace paralelo a los radios desde la corteza hasta la médula.

2. Tangencial: Si el corte longitudinal sigue la dirección perpendicular a los radios o tangente a los anillos de crecimiento.

PLANOS DE LA MADERA

FIGURA No. 15. DISTINTOS PLANOS DE LA MADERA

147

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

a) COLOR: Originado por la presencia de sustancias colorantes y otros compuestos secundarios. Tiene importancia en la diferenciación de la madera y sirve como indicador de su durabilidad. En general, puede decirse que las maderas mas durables y resistentes son aquellas de color oscuro.

b) OLOR: Producido por sustancias volátiles como resinas y aceites que en ciertas especies producen olores característicos.

c) TEXTURA: Se refiere al tamaño anatómico, tiene importancia en el acabado.

d) VETEADO: Son figuras formadas en la superficie de la madera, debidas a la disposición, tamaño, forma, color y abundancia de los distintos elementos. Sirve para la diferenciación y uso de la madera.

e) ORIENTACIÓN DE LA FIBRA O GRANO: La diferente disposición que siguen los elementos leñosos longitudinales, es de gran importancia para la trabajabilidad y el comportamiento estructural.

f) HUMEDAD: la primera característica que debe tenerse en cuenta en la madera, pues de ella dependen otras características físicas y mecánicas.

Un árbol recién cortado contiene gran cantidad de agua, la cantidad varía según la época del año, la región de procedencia y la especie forestal. Las maderas livianas por ser mas porosas contienen una mayor cantidad de agua, así mismo la albura conformada por células cuya misión es la conducción de agua, presenta una humedad mayor que el duramen.

El agua contenida en la madera se encuentra bajo diferentes formas: el agua libre, el agua higroscópica y el agua de constitución.

1. AGUA LIBRE: ocupa las cavidades celulares. La cantidad de agua libre que puede contener una madera está limitada por su volumen de poros.

Al iniciarse el secado el agua se va perdiendo fácilmente por evaporación, pues la retienen por fuerzas capilares muy débiles.

2. AGUA HIGROSCOPICA: Llamada también agua de saturación, fija o de inhibición, se encuentra en las paredes celulares. El agua higroscópica se pierde una vez se ha perdido el agua libre, pero la pérdida de humedad ocurre con mas lentitud hasta llegar a un estado de equilibrio higroscópico con el medio ambiente circundante.

Para la mayoría de las especies el "equilibrio higroscópico" está entre el 12 y el 18% de contenido de humedad según el lugar donde se realiza el secado al aire.

La madera seca al aire sólo puede alcanzar estos valores de humedad de equilibrio; si se quiere valores menores debe secarse al horno. La totalidad del agua higroscópica se pierde cuando la madera se seca hasta peso constante, a una temperatura de 103+2 °C , así se pierde la totalidad del agua libre y la del agua higroscópica.

148

3. AGUA DE CONSTITUCIÓN: hace parte de la estructura molecular de la madera y no puede ser extraída sin destruir la madera por combustión. Según el contenido de humedad la madera puede atravesar los siguientes estados:

-Madera Verde: ha perdido parte del agua libre y su humedad natural está por encima del punto de saturación de las fibras (PSF).

- Madera en el punto de saturación de las fibras: ha perdido la totalidad del agua libre y empieza a perder parte del agua higroscópica. El punto o zona de saturación de las fibras corresponde a un contenido de humedad entre el 21% y el 32%. Cuando la madera ha alcanzado esta condición sus paredes celulares están completamente saturadas pero sus cavidades están vacías.

Durante esta fase de secado, la madera no experimenta cambios dimensionales ni alteraciones en sus propiedades mecánicas. Por este motivo es muy importante el PSF desde el punto de vista físico-mecánico y de algunas propiedades eléctricas de la madera.

-Madera en equilibrio higroscópico: Cuando ha perdido la totalidad del agua libre y empieza a perder agua higroscópica hasta llegar a equilibrio con la humedad relativa del medio ambiente.

Para la mayoría de las maderas el equilibrio higroscópico está entre el 12% y el 18% de contenido de humedad depende de la humedad del lugar donde se realiza el secado. Una madera seca al aire sólo puede alcanzar estos contenidos de humedad.

-Madera en estado anhidro o seca: Es aquella que ha perdido la totalidad del agua libre y la higroscópica, se obtiene cuando la madera se seca hasta peso constante a la temperatura de 103 + 2 °C.

Determinación del contenido de humedad de la madera

Como ya se dijo antes, la madera se considera seca cuando al secarla a una temperatura de 103 + 2°C alcanza peso constante.

El contenido de humedad (CH) se define como el peso de la cantidad de agua presente en una pieza de madera.

Peso inicial - Peso anhidro CH = x 100 Peso anhidro o peso seco

Cuando el CH < PSF la madera sufre cambios dimensionales y varía sus propiedades mecánicas.

Para efectos de comercialización, industrialización y uso, la madera se clasifica en función de su contenido de humedad de ia siguiente forma:

152

CONTENIDO DE HUMEDAD CLASIFICACIÓN

- CH > PSF

- 23% < CH < PSF

- 13% < CH < 22%

Madera verde

Madera semiseca u oreada

Madera comercialmente seca

- CH = 0 Madera seca o anhidra

La norma NTC 206 establece la forma de determinar el contenido de humedad de la madera por secado en el horno. Es el método mas exacto; su éxito depende de la correcta selección de las muestras las cuales deben ser representativas del lote.

Las muestras deben tomarse cortando de la tabla o pieza un listón transversal de 15 a 20 cm de espesor en la dirección del grano y a una distancia de por lo menos 50 cm del extremo de la pieza donde el contenido de humedad puede ser menor; las muestras deben estar sanas y libres de defectos y las herramientas para el corte bien afiladas para evitar perdidas de humedad por recalentamiento de las superficies de corte.

Las principales desventajas de este método son, por un parte el período de tiempo necesario para obtener el peso constante entre 20 y 60 horas y por otra, la pieza debe ser parcialmente destruida para obtener las muestras.

Otros métodos para determinar el contenido de humedad de la madera, son: medidores de resistencia eléctrica, medidores de radio frecuencia y medidores de capacitancia.

El medidor de resistencia eléctrica funciona basándose en la resistencia eléctrica que varía proporcionalmente con la humedad de la madera. Es mas o menos exacto para un rango de contenido de humedad entre 7% y 30%. El aparato tiene dos electrodos en forma de punzón que se introducen a una profundidad igual a la mitad del espesor de la tabla, y la resistividad media nos indica el contenido de humedad.

El medidor de radio frecuencia funciona, como su nombre lo indica, en base a radio frecuencias y tiene las mismas características del medidor de capacitancia.

El medidor de capacitancia, basado en las propiedades dieléctricas de la madera, es mas o menos exacto para un contenido de humedad entre 0 y 30%. Este medidor no utiliza agujas; funciona por contacto directo con la superficie de la madera, y por lo tanto puede utilizarse sin ningún temor en maderas pintadas o lacadas.

Al emplear cualquiera de los tres métodos, se deben tomar medidas del contenido de humedad en diferentes partes de la tabla y obtener un promedio.

g) CAMBIOS DIMENSIONALES: Los cambios dimensionales se deben a la pérdida o ganancia de agua higroscópica fenómeno que se presenta por el carácter higroscópico de la madera, la pérdida de agua libre no origina ningún cambio en las dimensiones de la madera.

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La madera, cuyo contenido de humedad está por debajo del punto de saturación de las fibras se hincha en contacto con la humedad, hasta llegar a ese punto; a partir de allí no aumenta más sus dimensiones aunque siga absorbiendo más agua porque el agua libre se va ubicando en las cavidades de la célula. Ver gráfica No. 15.

Tomado de: FERNÁNDEZ, Rosalba. "Materiales estructurales en las obras civiles. Universidad del Cauca. Facultad de Ingeniería Civil. Popayán 1992.

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GRAFICA No.15. CAMBIOS DIMENSIONALES DE LA MADERA

Siendo la madera un material anisotrópico, la hinchazón o contracción en las tres direcciones u orientaciones no es la misma.

La contracción longitudinal desde la condición de verde a seca en horno, es mayor en maderas jóvenes. Se ha encontrado además, que para una misma especie la contracción longitudinal varía inversamente con la densidad. Eñ las coniferas de rápido crecimiento la contracción longitudinal es muy alta.

La contracción tangencial está entre 3,5% a 15% y la contracción radial está entre 2.4% a 11%.

La diferencia entre las variaciones dimensionales radiales y tangenciales, tal como se aprecia en la figura No. 16 es la causa de los alabeos y cambios de forma de las piezas de madera cortadas de un tronco húmedo; por lo tanto, la mejor forma de cortar un tronco es en el sentido radial, pero no es usual hacerlo porque se desperdicia mucho material.

Según la relación entre las variaciones dimensionales, tangencial/radial, se puede indicar el comportamiento de la madera así:

Tipo Madera

Muy estable

Estable

Poco estable

% Tangencial % Radial

menor de 1,5

entre 1,5 y 1,8

mayor de 1,8

Los cambios dimensionales son mayores en la albura que en el duramen, lo cual origina tensiones por desecación que se traducen en grietas.

154

Tomado de: FERNÁNDEZ, Rosalba. "Materiales estructurales en las obras civiles. Universidad del Cauca. Facultad de Ingenie^ Civil. Popayán 1992.

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FIGURA No. 16. VARIACIONES DE LA MADERA POR CAMBIOS DE HUMEDAD

La hinchazón o contracción lineal de una pieza de madera cuando su contenido de humedad varía de seco al horno al punto de saturación de las fibras, se calcula con la siguiente fórmula:

d f - d o a = x 100

do

donde:

a = Hinchazón o contracción longitudinal, tangencial o radial expresada como un porcentaje

de la dimensión seca al horno, df = Dimensión longitudinal, tangencial o radial de la pieza de madera a un contenido de

humedad igual al punto de saturación de fibras (30%). do = Dimensión longitudinal, tangencial o radial de la misma pieza en condición seca al horno

(contenido de humedad igual a cero) La variación total de volumen (V) en una madera se determina por la siguiente fórmula:

V I - V 3 AV = x 100

V3

Donde:

155

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V1 = Volumen de la probeta de madera verde o saturada la cual se obtiene después de sumergirla en agua durante 48 horas.

V3 = Volumen de la misma probeta en estado anhidro o seco, el cual se obtiene después de secarla hasta peso constante a una temperatura de 103 + 2°C.

El coeficiente de contracción volumétrico (K), para fines prácticos, se considera como una función lineal del contenido de humedad e indica la variación del volumen por cada 1% que varía la humedad. Para determinarlo se emplea la siguiente fórmula:

V 2 - V 3 K = x CH*100

V3

Donde;

V2 = Volumen de la probeta húmeda, siempre y cuando la humedad esté por debajo de la humedad del punto de saturación de fibra.

V3 = Volumen de la misma probeta en estado anhidro.

CH = Humedad de la probeta cuando se determinó V2.

Según el coeficiente de contracción volumétrica el uso recomendado para la madera es el siguiente:

I: COEFICIENTE DE

CONTRACCIÓN % (K)

Menor de 0.35%

0.35% a 0.55%

0.55% a 1.00%

TIPO DE MADERA

Contracción baja

Contracción media

Contracción alta

DESTINO

Ebanistería y muebles

Estructural y carpintería

Tonelería (empaques)

La humedad de saturación de fibras (PSF) se puede determinar en una madera por medio de la siguiente fórmula:

PSF = Liv K

Donde;

Uv = Variación total de volumen en una probeta, en %. K = Coeficiente de contracción volumétrica, en %.

La humedad de saturación de fibras de las diferentes especies maderables, generalmente se encuentran, entre un 25 y un 35%.

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h) DENSIDAD: La densidad de la madera se define como la masa por unidad de volumen a un determinado contenido de humedad se expresa de la siguiente forma:

v

Donde;

D = Densidad en g/cm3.

m = Masa de una pieza de madera a un determinado contenido de humedad, en gramos.

V = Volumen de la misma pieza a igual contenido de humedad, en cm3.

Un aumento en el contenido de humedad en la madera trae como consecuencia un incremento de su masa en una proporción mayor que el incremento de su volumen y por lo tanto la densidad de la madera aumentará. Por encima del punto de saturación de las fibras, la tasa de incremento de la densidad será aún mayor debido a la estabilización del volumen, ya que por encima de este punto cesa el fenómeno de hinchazón.

El peso de un trozo de madera lo constituye la parte sólida y el peso del agua que contiene. El volumen de la madera es constante cuando tiene un contenido de humedad por encima del punto de saturación de la fibra y cuando ha alcanzado el estado anhidro o seco.

Debido a que, tanto la masa como el volumen varían significativamente según el contenido de humedad, es importante enunciar las condiciones de humedad bajo las cuales se obtiene la densidad. Para efectos de comparación de las densidades entre especies, se tienen las siguientes:

1) Densidad Verde (DV): relación entre el peso verde (PV) y el volumen verde (VV).

2) Densidad seca al aire (DSA): relación entre el peso seco al aire (PSA) y el volumen seco al aire (VSA).

3) Densidad anhidra (DA): relación entre el peso seco al horno (PSH) y el volumen seco al horno (VSH).

4) Densidad básica (DB): relación entre el peso seco al horno (PSH) y el volumen verde (VV). Esta es la menor de las cuatro.

La densidad básica ofrece ventaja al utilizarla para la clasificación de maderas, ya que sus magnitudes son estables en una especie determinada.

La densidad de la parte sólida de la madera es de 1,56 g/cm3 con variaciones insignificantes entre especies.

Densidad Relativa: relación entre el peso de la madera a un determinado contenido de humedad y el peso del volumen de agua desplazada por el volumen de la madera. En el sistema métrico la densidad relativa y el peso específico tienen el mismo valor, con la diferencia que este último no tiene unidades.

157

La Norma NTC 290 especifica el modo de determinar la densidad relativa o peso específico de la madera.

La densidad de una madera, a una determinada humedad, se puede encontrar si se conoce la densidad a otra humedad, siempre y cuando ambas humedades estén por debajo del punto de saturación de las fibras. Se emplea la siguiente fórmula:

Dc h , = Dch2 - d(CHl - CH2)

d = DC H 2( l -K)/100

Donde;

DCH1 = Densidad al contenido de humedad CH1 que se desea determinar.

DCH2 = Densidad conocida para el contenido de humedad CH2. CH2 = Contenido de humedad conocido para la densidad DCH2. CH1 = Contenido de humedad a la cual se desea determinar la densidad DCH1. K = Coeficiente de variación volumétrica de la madera en estudio, valor en %.

La densidad anhidra de las maderas tropicales varía entre 0,1 g/cm3 (Balso) hasta 1,2 g/cm3 y 1,4 g/cm3 (Guayacán de bola).

La densidad en estado seco al aire se utiliza para calcular el peso propio de los elementos estructurales.

, La densidad básica y la densidad anhidra se utiliza en el análisis de las relaciones entre la densidad y las propiedades físicas y mecánicas. La densidad básica y el módulo de elasticidad son los parámetros utilizados para estimar las propiedades mecánicas de la madera, llegando a obtener correlaciones lineales y logarítmicas con un alto grado de confiabilidad entre la densidad y las propiedades mecánicas.

Las maderas tropicales de América del Sur (Zona Andina) se clasifican atendiendo a su densidad básica, así:

GRUPO DENSIDAD BÁSICA

A Igual o mayor a 0,71 g/cm3

B De 0,56 a 0,70 g/cm3

C De 0,40 a 0,55 g/cm3

De las especies estudiadas en el área subregional andina aproximadamente el 60% tiene densidad básica entre 0,40 y 0,70 g/cm3. Son las de mayor comercialización. Sirven para construcciones livianas y pesadas y corresponden a maderas que en general no presentan problemas especiales de aserrado, secado, preservación, clavado y trabajabilidad.

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Por encima de 0,70 g/cm3 de densidad básica existe un número significativo de especies que representa un 20%. Estas son de alta resistencia, alta densidad, que requieren condiciones especiales de aserrado, trabajabilidad, preservación y secado; son pesadas lo que incide en costos de producción y en la dificultad de clavado. Se usan en construcciones pesadas, como traviesas de ferrocarril, fabricación de muebles, etc.

Por debajo de 0,40 g/cm3 de densidad básica se encuentra el otro 20% de las especies maderables. Son por lo general blandas y se utilizan para fabricación de papel, enchapes, etc. Sin embargo, algunas de estas especies ofrecen resistencias semejantes a las del grupo estructural C.

Según la densidad anhidra la madera se puede clasificar así:

DENSIDAD ANHIDRO

Menor de 0,35 g/cm3

De 0,36 a 0,55 g/cm3

De 0,56 a 0,75 g/cm3

De 0,76 a 1,0 g/cm3

Mayor 1,0 g/cm3

CLASIFICACION

Muy liviana

Liviana

Medianamente pesada

Pesada

Muy pesada

i) DUREZA: La dureza de la madera es la resistencia que opone al desgaste, al rayado y a los clavos. Depende de la densidad, edad, estructura, sentido de aplicación del esfuerzo, y parte del tronco a la cual pertenece el elemento.

Por la dureza de las maderas se pueden clasificar en:

- Muy duras, como el Ebano, Encina y Tejo, etc. - Bastante duras, como el Roble, Fresno, Acacia, Almendro, etc - Algo duras, como el Castaño, Nogal, algunas especies de pino, etc. - Muy blandas, como el Tilo, el Balso, Alamo, etc.

La dureza está estrechamente relacionada con el trabajo que se ejecuta en la madera, bien sea a mano o mecánicamente; hay una relación directa entre la dureza y la dificultad para realizar este trabajo. Existe además una relación entre la dureza y la densidad, en general las maderas mas pesadas son las mas duras.

Hay poca diferencia entre la dureza determinada entre las secciones radiales y tangenciales, pero la dureza determinada en la sección transversal es mayor, como también es mayor la dureza del duramen que la de la albura, y la de la madera vieja que la de la joven.

j) HENDEBILIDAD: Es la propiedad que tiene la madera de ser separada por cortes en el sentido de la fibra. El astillado es mas común en el sentido de los radios por facilitarlo los radios medulares. Son mas hendibles las maderas mas duras y densas, que carezcan de nudos, con fibras rectas.

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k) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: Si tenemos en cuenta la estructura anatómica de la madera con sus numerosas cavidades, se puede ver que la madera es un mal conductor del calor.

La conductividad térmica varía con la especie, la densidad y el contenido de humedad; se puede decir en general, que la madera húmeda transmite mejor el calor que la madera seca, que la madera ligera es mejor aislante que la pesada y que la transmisión es mejor en la dirección longitudinal que en la dirección radial o tangencial.

La madera cambia de dimensiones cuando sufre variaciones de temperatura, y como material anisotrópico posee valores diferentes de dilatación térmica en las tres direcciones. La dilatación tangencial y la radial aumentan con la densidad. Siendo la tangencial mayor que la radial. La dilatación longitudinal no depende de la densidad pero varía con las especies.

Sin embargo, estas dilataciones no suelen notarse ya que una elevación de temperatura determina una disminución en el contenido de humedad y en consecuencia una contracción que contrarresta la expansión por dilatación.

1) TRANSMISIÓN Y ABSORCIÓN DEL SONIDO: Una de las principales ventajas de la madera es su capacidad para absorber vibraciones producidas por las ondas sonoras. Esta propiedad está íntimamente ligada con su estructura anatómica y su densidad. A menor densidad corresponde una mayor absorción del sonido.

PROPIEDADES QUÍMICAS

Para determinar las propiedades químicas de la madera, analizaremos su comportamiento en diferentes ambientes.

a) COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO: La madera en general es un material combustible. La madera pesada prende entre 300 y 400°C; inicialmente la combustión es rápida y luego la rata de avance se estabiliza dependiendo de la humedad y de la forma de las estructuras; las superficies planas son mucho mas resistentes al fuego.

La descomposición de la madera sometida a temperatura creciente sigue las siguientes fases:

- A 95°C se evapora el agua de saturación. - Entre los 95°C y 150°C, se volatizan los materiales extraños o gases. - Entre 150 y 205°C, tostamiento y desprendimiento ligero de gases inflamables sin arder. - Entre 205 y 372°C, carbonización con desprendimiento de gases en mayor cantidad; iniciación

de brasas e inflamación a los 275°C. - Entre 375 y 510°C emisión rápida de gases inflamables y transformación del carbón en brasas.

En una pieza de madera después de un incendio se puede observar una capa de carbón en el exterior, que recubre la parte central intacta. La resistencia mecánica del carbón es nula, pero la parte central conserva sus propiedades originales.

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Por lo anterior, la reducción de resistencia de una pieza de madera después de un incendio se debe a la disminución de su sección útil.

El espesor de la capa de carbón depende de la especie vegetal, de la duración y de la intensidad del fuego. La velocidad con que se quema cada especie está bien definida. Dado el caso, en que se requiera de una hora para evacuar las personas y luchar contra el incendio y si es conocida la especie de la madera, bastará con agregar a cada dimensión de la sección útil, un valor igual o mayor al de la velocidad de combustión de la madera.

La madera puede ser protegida contra la acción del fuego con productos ignífugos; así tratada no extenderá las llamas y no contribuirá a su propia combustión; se carbonizará y si continúa expuesta a altas temperaturas se destruirá.

Los principales productos ignífugos son: El fosfato amónico, el ácido bórico, el cloruro amónico, el fosfato monoamónico, el cloruro de zinc y combinación de éstos productos.

La madera también se puede proteger del fuego recubriendo las construcciones, ya terminadas o en uso, con pinturas a base de silicatos solubles en agua, resinas de úrea, carbohidratos y emulsiones polivinílicas. Las capas deben ser gruesas.

b) COMPORTAMIENTO DE LA MADERA ANTE EL AIRE, LA LUZ Y EL AGUA: La madera es químicamente estable en ambientes constantes. Por eso su resistencia a la corrosión es considerable y su duración en sitios cerrados y secos o sumergida en el agua es muy larga, siempre y cuando se la proteja contra agentes bióticos xilófagos.

Cuando el medio no es constante, es decir, cuando existen cambios de humedad y sequedad, las superficies expuestas de la madera presentan pequeñas hendiduras y fisuras que se pueden convertir con el tiempo en grandes grietas; por lo tanto el deterioro causado por la acción atmosférica se debe principalmente a la variación de sus capas superficiales con tensiones alternadas de compresión y tracción que producen la desintegración de esas capas, facilitando a su vez la invasión de los hongos. Para lograr una buena resistencia a los cambios externos y rápidos de humedad de las capas superficiales se recomienda impregnarlas con pinturas o sustancias hidrófugas. Las maderas pesadas y de duramen bien marcado son muy duraderas.

La madera bajo la acción de la luz, se comporta bien si está en grandes piezas, en láminas de pequeño espesor son atacadas fuertemente. Cuando la luz es rica en rayos ultravioleta cambia el color de la madera, dándole un tono tostado o grisáceo.

La meteorización de la madera por la acción de los agentes atmosféricos, aumenta con la intensidad y duración de la luz, con la magnitud de los cambios de temperatura y humedad y con la velocidad del viento.

c) COMPORTAMIENTO EN AMBIENTES ÁCIDOS: La madera es un material muy resistente a los ácidos y únicamente empiezan a destruir sus fibras cuando tienen un PH menor o igual a 2; la hinchazón en ambientes ácidos es menor que con el agua.

161

La madera es poco resistente a algunos ácidos, dentro de los cuales podemos nombrar: el ácido crómico y el cloruro de zinc; por eso no se recomiendan preservadores a base de estas sustancias, pues si la madera pierde mucha humedad y acrecientan su concentración, terminan por destruirla.

La madera tiene una alta resistencia a los siguientes ácidos: ácido acético, carbónico, cítrico, clorhídrico, fluorhídrico, nítrico al 5% frío, sulfúrico al 6%, etc.

d) COMPORTAMIENTO EN AMBIENTES BÁSICOS O ALCALINOS: No es tan favorable como frente a los ácidos. En ambientes hasta con un PH menor que 11 no se desarrolla una corrosión importante y por el contrario contribuye a proteger la madera de los hongos. La maderas coniferas resisten mejor los ambientes alcalinos que las latifoliadas. Las maderas en ambientes alcalinos sufren una hinchazón mayor que con el agua.

e) COMPORTAMIENTO EN AMBIENTES SALINOS: Las sales neutras no ejercen ninguna acción perjudicial en la madera, por eso sus soluciones son muy utilizadas como preservadores.

La madera se comporta muy bien con las siguientes sales: Agua de mar, alumbre, cloruro de aluminio, sulfato de potasio, sulfato de aluminio, sulfato de cobre y soluciones de sales de sodio.

La madera no resiste bien las siguientes sales: Solución de sulfuro de sodio, carbonato de sodio, cloruro de magnesio y sales de hierro.

DURABILIDAD

La durabilidad de la madera depende de las características del medio circundante y de la protección que se le haya dado.

La celulosa, compuesto principal de la madera, a temperatura ordinaria y al aire seco es inalterable, pero en ambientes húmedos se descompone tomando un color oscuro y perdiendo su resistencia.

La degradación de la madera se debe en parte al ataque de organismos biológicos destructores como los hongos y los insectos xilófagos, que en determinadas condiciones de temperatura, humedad y oxigenación pueden invadir ciertos sectores de la madera.

Otro tipo de ataque es ocasionado por mohos y hongos, que aunque no destruyen las células se alimentan de las sustancias que contienen en su interior; éstos organismos atacan a la madera cuando tiene una humedad superior al punto de saturación de las fibras.

Para evitar el ataque de organismos biológicos, cuando la madera no tiene durabilidad natural, se trata con la impregnación de sustancias preservantes.

La durabilidad natural de la madera depende de la especie y de la parte del tronco de donde ha sido extraída. Generalmente el duramen contiene sustancias tóxicas como las fenólicas que rechazan a los agentes biológicos cuando quieren invadirlo; la albura en cambio, no tiene durabilidad natural.

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PRESERVACIÓN: Se entiende por preservación o inmunización de la madera, el proceso mediante el cual se aplica un producto químico, capaz de protegerla contra el ataque de hongos e insectos.

Los productos que se pueden utilizar son compuestos químicos puros o mezcla de ellos; varían en naturaleza, eficiencia y costo. Por lo general son compuestos sólidos que requieren de un solvente para penetrar en la madera. En razón al solvente que necesitan pueden ser hidrosolubles y oleosolubles.

Para aplicarlos existen dos formas: Sin presión y con presión.

Los tratamientos sin presión se pueden hacer: Con brocha pero es sólo un mantenimiento temporal; con atomizador el cual ofrece una mejor impregnación; por inmersión en el preservante; y por último el baño caliente y frío, consistente en sumergir la madera seca en baños alternados con preservante frío y caliente.

En los tratamientos con presión, el preservante se aplica a la madera utilizando presiones distintas a la atmosférica, en una autoclave.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Se refieren a la resistencia que ofrece la madera a los diferentes esfuerzos de trabajo por la acción de cargas que actúan sobre ella.

Para poder efectuar los cálculos de una estructura es necesario conocer las propiedades mecánicas del material que se va a utilizar. La madera, a diferencia de otros materiales, por ser un elemento natural está sujeta a amplias variaciones, según su especie, origen, lugar dentro del tronco, alteraciones y defectos, etc, que no es posible controlar y que tienen una gran importancia sobre sus propiedades mecánicas.

En el análisis de las características mecánicas de la madera no se hace diferencia en el sentido radial y tangencial a pesar de que, aunque existe diferencia, no se considera por su poca magnitud y porque el material no se asierra diferenciando estas dos direcciones. Las propiedades mecánicas se especifican para la dirección longitudinal o paralela a la fibra y transversal o perpendicular al grano o fibra.

Las propiedades mecánicas se ven afectadas por:

a) Dirección de la fibra con respecto al lado largo de la pieza: Existe dentro de la madera una dirección privilegiada, la del eje axial o de crecimiento del árbol, de una gran resistencia a los esfuerzos por ser estos paralelos a las fibras y dos direcciones poco resistentes, perpendiculares a la anterior, situados en el plano transversal, las direcciones radial y transversal.

b) La humedad de la madera: La humedad, al igual que el resto de las propiedades físicas, tiene una gran influencia en las propiedades mecánicas de la madera. Cuando el porcentaje de humedad aumenta la resistencia mecánica disminuye, hasta llegar al punto de saturación de las fibras a partir del cual las propiedades mecánicas permanecen constantes. El anterior comportamiento puede observarse en todos los ensayos a los cuales es sometida la madera, a excepción del choque o impacto y la tracción perpendicular a la fibra.

163

En la gráfica N° 16 aparece la variación de la resistencia con la humedad.

Resistencia

R A

Rv

Rs

B

C H S P S F

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 CH%

GRAFICA N° 16. VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

Tomado de: FERNÁNDEZ, Rosalba. "Materiales estructurales en las obras civiles. Universidad del Cauca. Facultad de Ingeniería Civil. Popayán 1992.

En donde:

R = Resistencia a un contenido de humedad.

Rs = Resistencia correspondiente a la madera seca al aire.

R = Resistencia de la madera verde. v

Por lo anterior la resistencia de una madera a una esfuerzo dado es función del grado de humedad y en consecuencia, la resistencia considerada no puede definirse con exactitud sino con respecto a un porcentaje de humedad determinado.

Para maderas de la subregión andina se han encontrado los siguientes porcentajes de variación, en los valores de la resistencia con el contenido de humedad:

P R O P I E D A D % DE VARIACIÓN P O R C A D A

1% QUE VARIA L A H U M E D A D

- Compresión paralela a las fibras

- Tracción paralela a la fibra

- Corte

- Flexión

- Módulo de elasticidad

4 - 6

3

3

4

2

164

Este coeficiente de influencia de la humedad se determina experimentalmente para cada tipo de madera en muestras homogéneas sacadas del mismo anillo de crecimiento del árbol.

c) La densidad: La densidad tiene gran importancia en la resistencia mecánica de la madera. En probetas pequeñas se considera que la resistencia varía proporcionalmente con la densidad, esto es a mayor densidad mayor resistencia.

d) Temperatura: Influye en las propiedades mecánicas, si se aumenta la temperatura- hay disminución en ellas. La madera expuesta por un tiempo prolongado a altas temperaturas sufre cambios irreversibles en sus propiedades.

A un contenido de humedad constante y una variación en la temperatura alrededor de 200°C, la variación de las propiedades mecánicas es lineal y los cambios reversibles, pero cambios bruscos de temperatura, producen cambios irreversibles.

e) Tiempo de aplicación de la carga: Mientras mas corto sea el tiempo de aplicación de la carga, mayores son los esfuerzos de trabajo admisible, esto es, hay que multiplicar la carga de trabajo por un factor cada vez mas grande a medida que el tiempo disminuye.

TIEMPO DE APLICACIÓN FACTOR DE LA CARGA FACTOR

Permanente 1,00

5 años 1,1 6 meses 1,2

2 meses 1,25

2 semanas 1,3

5 días 1,35

1 día 1,4 6 horas 1,5

1 hora 1,6

10 minutos 1,7

5 segundos o menos 2,00

Al cargar un elemento de madera por primera vez se presenta una deformación elástica. Si la carga se mantiene, ocurre una deformación adicional dependiendo del tiempo. Este fenómeno se denomina "Creep". Para algunas especies latifoliadas se ha encontrado que el incremento de la deformación puede llegar a ser 2 ó 3 veces la deformación elástica inicial

f) Tensiones de crecimiento: Son los esfuerzos horizontales a los que es sometido el árbol durante su crecimiento; el viento, la excesiva pendiente del terreno y la luz en un sólo sentido puede provocar fallas en el tronco que cicatrizan porque el árbol está vivo, pero que al cargar el elemento en la estructura su resistencia es baja por la falta de continuidad en las fibras o por falta de paralelismo.

165

g) Defectos en la madera: Algunos defectos de la madera, especialmente los nudos que son discontinuidades debidas al nacimiento y desarrollo de las ramas, afectan el comportamiento mecánico de la madera, especialmente cuando se encuentran en zonas de tensión; por lo tanto debe realizarse una inspección visual a las piezas de madera que se van a destinar a uso estructural.

A continuación estudiaremos las principales propiedades mecánicas de la madera, que más interesan desde el punto de vista estructural:

- Resistencia a la compresión paralela a la fibra: La madera presenta gran resistencia a los esfuerzos de compresión paralelos a sus fibras. Bajo la acción de un esfuerzo de compresión en el sentido axial, una pieza de madera se expande en su parte media; los haces de fibras, muestran tendencia a separarse en columnillas y luego a fallar individualmente; la rotura puede consistir en un agrietamiento longitudinal de la pieza que se arruina por pandeo de estas columnillas, o por un deslizamiento de la parte superior sobre la parte inferior, a lo largo de un plano mas o menos oblicuo sobre el eje de la pieza.

Cuando se trata de elementos a escala natural, como en el caso de columnas, solamente aquellas con una relación de esbeltez (longitud/ancho) <10, desarrollan toda su resistencia al someter el elemento a esfuerzos de compresión. Para elementos mas esbeltos, la resistencia está limitada por el pandeo lateral y depende mas de la forma geométrica de la pieza que de la propia capacidad resistente de la madera.

Para maderas tropicales los valores del esfuerzo de rotura en compresión paralela a la fibra varía entre 100 y 300 kg/cm2.

La Norma NTC 784 especifica como realizar el ensayo de compresión paralelo al grano.

La figura N° 18 presenta las formas de falla de las probetas sometidas al ensayo de compresión paralelo a la fibra.

t¿í tu'stuj^ •í 'iijl;

UJU^ílj^JJ.

a b c d *

FIGURA N° 18. FORMAS DE FALLA DE PROBETAS EN EL ENSAYO DE COMPRESIÓN PARALELA A LA FIBRA

- Resistencia a la compresión perpendicular a la fibra: La aplicación de carga en el sentido perpendicular a la fibra tiende a comprimir las cavidades de las células, esto hace que la densidad se incremente y por consiguiente la capacidad de resistir; sin embargo la deformación es alta, siendo ésta la limitante para cargar el elemento.

166

La Norma NTC 785 establece el método para determinar la resistencia a la compresión perpendicular a la fibra. La carga máxima que se aplica es la que produzca una deformación del 5% de la probeta ensayada.

- Resistencia a la tracción paralela a la fibra: La resistencia a la tracción paralela a la fibra en probetas pequeñas libres de defectos, es aproximadamente dos veces la resistencia a la compresión paralela a la fibra; la falla es súbita, comportándose la madera en este aspecto como un material frágil, pero rara vez en las construcciones falla por tracción pura; antes se rompe bajo la acción de esfuerzos secundarios, que normalmente acompañan a este tipo de solicitudes, originados por la interrupción de las fibras, por agujeros de los pasadores o tornillos, cambios de sección, compresión causada por piezas de enlace en los nudos, etc. El valor del esfuerzo de rotura para el ensayo de tracción paralela a la fibra varía entre 500 y 1500 kg/cnr2.

La gráfica N° 17 compara las curvas esfuerzos-deformación para maderas latifoliadas sometidas a los esfuerzos hasta ahora descritos.

GRAFICA N° 16. RESISTENCIA DE LA MADERA FRENTE A DIFERENTES SITUACIONES DE ESFUERZO

Tomado de: FERNÁNDEZ, Rosalba. "Materiales estructurales en las obras civiles. Universidad del Cauca. Facultad de Ingeniería Civil. Popayán 1992.

- Resistencia a la tracción perpendicular a la fibra: La madera tiene menor resistencia a los esfuerzos de tracción perpendicular a sus fibras, porque a este esfuerzo se opone, únicamente, la adherencia entre las fibras, que por ser muy pequeña permite la rotura con esfuerzos muy reducidos, que van entre 20 y 40 kg/cm2. La resistencia no depende, como en otros ensayos, de la densidad pero si de la composición química de la madera.

167

- Resistencia al corte: Por la naturaleza fibrosa de la madera, su resistencia al corte es mucho mayor en la dirección perpendicular a la fibra que en la dirección paralela. La resistencia al corte en el sentido perpendicular a la fibra es tan alta que en el diseño normal de estructuras no se considera pues antes de que el material falle por cortante es necesario ejercer sobre la pieza un esfuerzo de compresión tal que hace que el material falle.

La resistencia al corte en el sentido paralelo a la fibra varía entre 25 y 200 kg/cm2, este valor aumenta con la densidad aunque en menor proporción que la resistencia a la compresión, también depende mucho del tamaño de los elementos. La Norma NTC 775 especifica la forma de realizar el ensayo y las dimensiones de la probeta a ensayar.

- Resistencia a la flexión: En una pieza sometida a esfuerzos de flexión, una parte está sometida a esfuerzos de compresión y la otra a esfuerzos de tensión, separados por la fibra neutra, en la que sólo existen esfuerzos cortantes; las fibras mas alejadas de la neutra son las que están sometidas a los máximos esfuerzos.

Como la resistencia a la compresión es menor que a la tensión, la falla se inicia en la zona de compresión, lo que hace que se incrementen las deformaciones en la zona comprimida, y que el eje neutro se desplace a la zona de tracción, aumentando rápidamente las deformaciones totales hasta que la pieza falla por tensión.

La figura N°19 muestra las diferentes formas de fallas en una probeta cuando es sometida al ensayo de flexión.

c d

V

FIGURA N°19. FORMAS DE FALLA EN EL ENSAYO DE FLEXION

Donde: a) Tensión simple (vista lateral)

b) Tensión a través de la fibra (vista de la cara en tensión)

c) Tensión astillante (vista de la superficie en tensión).

168

d) Tensión pura (vista de la superficie en tensión). e) Compresión (vista lateral) f) Corte horizontal (vista lateral).

La resistencia a la flexión de la madera varía entre 200 y 1700 kg/cm2 dependiendo de la densidad, de la especie y del contenido de humedad.

PROPIEDADES ELÁSTICAS

La madera presenta un comportamiento elasto-plástico y su resistencia mecánica por unidad de peso es mayor que la del concreto y el acero.

La madera se deforma elásticamente, hasta el límite proporcional por encima del cual la deformación es de tipo plástica hasta el punto de rotura.

El módulo de elasticidad, el de corte y el de Poisson, son los parámetros que definen sus características elásticas. La madera como material ortotrópico (las direcciones son perpendiculares entre sí), tiene tres módulos de elasticidad, tres módulos de corte y seis módulos de Poisson, orientados y dirigidos según los tres ejes ortogonales. Desde el punto de vista práctico sólo se consideran tres.

- Módulo de elasticidad:

Es una medida que caracteriza la rigidez de un material, es decir, su capacidad de deformación.

El módulo de elasticidad de la madera se puede obtener directamente en las curvas esfuerzo-deformación obtenidas en los diferentes ensayos.

Según los resultados obtenidos en maderas tropicales, el módulo de elasticidad obtenido en un ensayo de compresión paralelo a la fibra, es mayor que el obtenido en un ensayo de flexión; sin embargo, se toma este último como genérico de la especie, por ser las deflexiones o deformaciones en elementos a flexión, el criterio básico para su dimensionamiento.

Las maderas latifoliadas tienen un módulo elástico mayor que las coniferas.

• Módulo de corte o rigidez:

Relaciona las deformaciones con los esfuerzos de corte o cizallamiento; varía con las diferentes direcciones de la madera, sin embargo se escoge el que lleva la dirección de las fibras.

El módulo de rigidez y el módulo de elasticidad varían con la especie, y dentro de la especie, con la humedad y con la densidad; con el aumento en el contenido de humedad la madera puede deformarse :on más facilidad, situación que es aprovechada por la industria, antes de curvar la madera, se incrementa su contenido de humedad por medio de vapor.

El módulo de rigidez es aproximadamente igual a 1/16 ó 1/25 del módulo de elasticidad.

169

ESFUERZOS ADMISIBLES

El esfuerzo admisible o de trabajo es aquel que soporta un elemento estructural bajo condiciones normales de uso. En general los valores máximos admisibles se obtienen dividiendo el esfuerzo de rotura por un factor de seguridad. Para nuestras maderas se usan los siguientes factores:

E S F U E R Z O

F l e x i ó n

C o m p r e s i ó n p a r a l e l a a la f ib ra

C o m p r e s i ó n p e r p e n d i c u l a r a la fibra

C o r t e o c i za l l adu ra

F A C T O R D E S E G U R I D A D

8 - 1 0 6 - 8

4 - 6 5 - 7

Una vez que la madera cumple con los requisitos de clasificación visual, se agrupan en tres grupos: A, B y C, considerando sus propiedades mecánicas y su módulo de elasticidad así:

GRUPO

A

FLEXIÓN kg/cm2

210

TRACC. PARALELA

kg/cm2

145

TRACC. PERPENDICULAR

kg/cm2

5

COMPRESIÓN PARALELA

kg/cm2

145

COMPRESIÓN PERPENDICULAR

kg/cm2

40

CORTE PARALELA

kg/cm2

14

CORTE POR RODADURA

kg/cm2

1

B 150 105 4 110 28 12 1

C 100 75 3 80 15 8 1

G R U P O

A

B

C

E M I N kg/cm2

9 5 0 0 0

7 5 0 0 0

5 5 0 0 0

E P R O M E D I O kg/cm2

130000

100000 9 0 0 0 0

Según el grupo estructural, es decir, teniendo en cuenta sus propiedades mecánicas, algunas maderas colombianas se pueden agrupar así:

170

TABLA N°33. ALGUNAS MADERAS COLOMBIANAS SEGÚN SU TIPO ESTRUCTURAL

NOMBRE COMUN NOMBRE CIENTÍFICO GRUPO

Abarco Carimana pyriformis C Aceite María Calophyllum mariae C Achapo Cedrelinga catenaeformis C Ají, arracacho Clavisia racemosa B Algarrobo Hymenaea courbaril A Avichun Brosimun Mleanum B Bálsamo Myroxylon peruiferum A Caimito Chrysophyllum cainito A Carrá Huberodendrom patinol C Ceiba amarilla Hura crepitans C Ceiba toina Bombacopsis quinata C Copaiba Copaitera officinalis c Castillo Aspidosperma macrocarpon A Cupaiba Copaifera publiflora B Chanul Humiriasfran procerum A Chaquiro Goupia glabra A Chocolatillo Piptadenia grata A Choco Ormosia coccínea B Chuguacá Hieronyma laxiflora C Chupón Pouterua anibifolia B Dinde Chlorophora tinctoria B Dormilón Pentaclethra macroloba C Fernán Sánchez Triplaris guayaquilensis C Flor morado (roble) Tabebuia rosea B Guaímaro Brosimum alicastrum B Guayabo Terminaba amazonia B Guayabón Terminaba guianensis B Machave Symphonia globulifera B Mora Clarisia racemosa B Murcillo Erisma uncinatum C Nato Mora megistosperma B Oloroso Humiria balsaminifera A Pantano Hieronyma chocoensis B Pino real (chaquiro) Prodocarpus sp C Punte candado Minqartia quianensis A Samán Pithecellobium saman C Sande Brosimum utile c Sangregao Pterocarpus sp A Tananeo Peltogyne porphyrocardia A Tangare Carapa guianensis C

171

CLASIFICACIÓN DE LA MADERA

Cuando un tronco de madera es aserrado se obtienen piezas de diferente calidad y apariencia, con un amplio rango de resistencia, utilidad y valor.

Por tal motivo se necesita realizar una clasificación de la madera basada en el tipo, tamaño, número y localización de características que pueden disminuir su resistencia, durabilidad y utilidad.

En general, la madera se puede clasificar:

a. MADERA ESTRUCTURAL: Requiere un proceso de análisis y diseño estructural; se clasifica atendiendo a sus propiedades mecánicas y uso de las piezas aserradas.

b. MADERA COMERCIAL: Se clasifica en diferentes grupos teniendo en cuenta solamente su apariencia y características físicas, sin importar sus propiedades mecánicas; se utilizan en trabajos generales de construcción.

c. MADERA DE ELABORACIÓN: Se usa en la carpintería y ebanistería para hacer puertas, marcos y otras piezas.

En nuestro medio se clasifican las maderas en livianas y pesadas; teniendo en cuenta su peso, se considera una densidad de 0,6 g/cm3 para hacer la división. En los depósitos la calidad de la madera se evalúa cualitativamente para hacer la venta.

Las maderas livianas se emplean para obras temporales como formaletas, obras falsas, etc. Su durabilidad es moderada y son susceptibles al ataque de insectos; se les conoce con el nombre de "Madera común". A este grupo pertenecen: el arenillo, laurel, soto, sajo, la cañabrava, etc.

Las maderas pesadas se utilizan para la construcción de obras permanentes como muelles, puentes, estructuras, etc. Su durabilidad es alta o muy alta pues son resistentes a casi todos los agentes destructores. A este grupo pertenecen el abarco, chanul, sapón, comino, etc.

También hay otros dos grupos, la madera de "banco" que se emplea en carpintería como el cedro, el nogal, etc y la "decorativa" como el roble, guayacán, etc.

Como la resistencia de la madera estructural no sólo varía con el tipo de carga a que se somete y con la dirección de las fibras y la presencia de nudos, sino también con el tamaño de las piezas y la forma en que se emplean, es necesario clasificarla de acuerdo a su tamaño y uso, así:

a) Viguetas y tablones: piezas de sección transversal, rectangular con dimensiones nominales de 5 a 10 cm por 10 cm o mas de ancho. Se emplean para resistir esfuerzos de flexión, como viguetas cargadas sobre su canto o tablones cargados sobre su cara ancha. También pueden utilizarse para sufrir esfuerzos de compresión o de tracción. En el comercio se consigue el tablón de 3x28 cm y la vigueta de 6x13, 4x13 y 4x11 cm, todos de 3 m de largo.

b) vigas: piezas grandes de sección transversal, rectangular con dimensiones nominales de 13x20 cm y mayores usadas para resistir esfuerzos de flexión cuando se cargan sobre su canto.

172

c) postes y columnas: piezas de sección transversal cuadrada o casi cuadrada; también hay redondas con dimensiones nominales de 13x13 cm y mayores, utilizadas esencialmente como postes o columnas, pero se adaptan a fines diversos. En el comercio de consiguen de 13x13 cm, 1 lxl 1 cm, 8x8 cm y 6x6 cm.

d) tablas estructurales: piezas con una dimensión nominal de 5 cm y de cualquier ancho. En el comercio se consiguen de 4x28 cm, de 6x24 cm, 3x28 cm. Conviene aclarar que las piezas de madera estructural se especifican por sus dimensiones nominales, que son las que las identifican comercialmente. Después del proceso de reaserrado (corte y cepillado) y del secado de las piezas, las dimensiones se reducen a los valores netos reales, que son los que deben utilizarse en todos los cálculos de diseño. El cepillado reduce las dimensiones entre 0,5 cm y 1,3 cm.

Cada clase estructural puede ser dividida, a su vez, en grados de calidad que dependen de la mayor o menor cantidad de defectos de las piezas y de su efecto reductor sobre la resistencia de las mismas.

De esta manera, el grado de calidad asignado a la madera estructural se debe fundamentar en un proceso de selección, clasificación y ensayo del material ya aserrado y listo para su utilización.

DEFECTOS EN LA MADERA

Se considera defecto cualquier irregularidad o imperfección que afecte las propiedades físicas, mecánicas y/o químicas, determinando una limitación en el uso de la madera.

Los defectos de acuerdo a su origen se pueden clasificar en:

a. defectos por constitución anatómica: Se refieren a la constitución anatómica de una pieza de madera. No son controlables; sólo se pueden evitar seleccionando y analizando las características generales de la especie antes de cortar el árbol, o aserrando la pieza de madera, de tal forma que se encuentren dentro del rango de tolerancia.

Entre los principales defectos de este tipo están: La densidad liviana, el duramen quebradizo, la corteza incluida, las bolsas de resina, la fibra o grano inclinado y los nudos, estos son los mas importantes porque interrumpen la dirección del grano y causan grano atravesado con pendiente fuerte. El efecto de un nudo sobre la resistencia depende de la proporción de la sección transversal ocupada por el nudo, de su localización y del tipo de solicitación a que se somete la pieza; por tanto se debe limitar el tamaño de los nudos al ancho de la cara donde aparece y a su localización en dicha cara.

b. defectos por agentes biológicos: Son controlables y para evitarlos debe emplearse especies que presenten una buena y alta durabilidad natural.

Los principales defectos de este tipo son:

-Pudrición: desintegración de la sustancia leñosa por efecto de los hongos. Se reconoce porque la madera se hace blanda, esponjosa y se desmorona. El aire, la humedad y una temperatura favorable propician el crecimiento de los hongos. La pudrición de la celulosa es de color castaño; en cambio la de la lignina es clara.

173

Ya que es difícil determinar el alcance de la pudrición, en madera estructural no se tolera ningún tipo de pudrición.

-Acañonado: hueco aproximadamente cilindrico como consecuencia de la pudrición castaña.

-Perforaciones: agujeros con diámetros mayores de 3 mm, se denominan "perforaciones grandes" producidas por insectos o larvas; se permite un número limitado de ellas por metro lineal en la albura. Las "perforaciones pequeñas" son menores o iguales a 3 mm se permite un número máximo de ellas por cm2.

c. defectos por transporte, aserrado y almacenamiento: ocasionados por las deficiencias manuales o mecánicas durante estas operaciones; se controlan utilizando mano de obra calificada y dando buen mantenimiento a la maquinaria y equipo utilizado en el proceso. Entre los principales defectos de este tipo tenemos:

-Desgarramiento: rompimiento que se produce en la base del tronco al ser cortado o taladrado y que da origen a rajaduras longitudinales.

-Fractura o falla de compresión: deformación de las fibras de la madera como resultado de compresión o flexiones excesivas en árboles en pie, causadas por su propio peso o por el viento o en árboles mal apilados.

Las fallas de compresión se aprecian en las superficies bien cepilladas como arrugas finas transversales al grano de la pieza; crean zonas de poca resistencia mecánica.

• Arista faltante: falta de madera en una o mas aristas de la pieza debido a existencias de corteza o a la falta de madera al aserrar la pieza. Se permite con una longitud máxima de 50 cm y de un perímetro no mayor de 5 cm.

• Picada: depresión en la superficie de la pieza, producida por un corte anormal.

•Mala escuadría: Variación máxima en las dimensiones de una pieza de madera en relación a las dimensiones que se especifican. Para piezas de hasta 50 mm de espesor se admiten hasta + 2mm en el espesor y + 4 mm en el ancho. Para piezas de mas de 50 mm de espesor se admite hasta + 5 mm en el espesor y en el ancho.

d. defectos por secado: ocasionados por las deficiencias en sistemas de apilado y almacenamiento de las piezas al secarle al aire, o por un mal programa de secado al horno. Los defectos del secado dependen del tamaño de la pieza y de la velocidad del secado. Los defectos mas comunes son:

-Grietas: ocasionadas por un secado muy rápido durante las primeras etapas, o como consecuencia de un secado irregular a lo largo de las piezas. Son separaciones de los elementos constitutivos de la madera, cuyo desarrollo no alcanza a afectar dos caras de una pieza aserrada.

174

La grieta debida a la separación de dos anillos anuales, se denomina "acebolladura". Esta grieta reduce la resistencia al cortante, pero en miembros sujetos a tracción o compresión, no los afecta mayormente; sin embargo, se debe evitar el uso de maderas con ella, ya que pueden permitir la entrada de agua que favorece la pudrición.

-Grietas radiales o rajaduras: separaciones de los elementos de la madera que se extienden en la dirección del eje de la pieza y afectan totalmente su espesor. Se observan como separaciones del tejido leñoso en la dirección del grano se permiten sólo en uno de los extremos de la pieza y de una longitud no mayor al ancho de la misma.

-Endurecimiento superficial: estado de tensión en una pieza, originado por la compresión en las capas externas y tracción en la parte interna, que se presenta por inadecuadas condiciones de secado.

-Colapso: reducción de las dimensiones de la madera que ocurre durante un secado sobre el punto de saturación de fibra, debido a un aplastamiento de sus cavidades celulares; se observa como un corrugado de la superficie.

-Alabeos: deformaciones que pueden experimentar una pieza de madera por las curvaturas de sus ejes longitudinal o transversal o de ambos. Los alabeos pueden ser:

• Abarquillado: las aristas o bordes longitudinales no se encuentran al mismo nivel de la zona central. En madera estructural no se permite este defecto.

• Arqueadura: alabeo en dirección paralela a la dimensión mayor de la sección. Se permiten 3 cm por cada 300 cm de longitud o su equivalente.

• Encurvadura: Se presenta cuando se alabean los cantos en la dirección longitudinal. Se permite 1 cm por cada 300 cm de su longitud o su equivalente.

• Torcedura o revirado: los extremos de la pieza giran en direcciones opuestas; se permiten cuando son poco pronunciados.

BIBLIOGRAFÍA

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FERNÁNDEZ, Rosalba. "Materiales estructurales en las obras civiles. Universidad del Cauca. Facultad de Ingeniería Civil. Popayán 1992.

JARAMILLO PLITT, José. "Manual de prácticas de botánica". Universidad de Caldas, Facultad de educación. Departamento de biología y química. Sección Biología. Manizales. (mimeografiado).

Junta del Acuerdo de Cartagena. "Manual del grupo andino para la preservación de las maderas". Colombia 1988.

175

LASTRA, José Anatolio. "Aspectos generales sobre la estructura anatómica, propiedades físico-mecánicas y secado de la madera". Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad de Ingeniería Forestal. Bogotá 1984.

PATIÑO, Federico Humberto. "La madera". Universidad del Valle. División de Ingeniería. Departamento de mecánica de sólidos y materiales. 1980 (mimeografiado).

WEIR, José Alfredo. HERNÁNDEZ, José Ignacio. Tesis "Características, resistencias y usos de algunas maderas colombianas". Universidad Nacional de Colombia. Seccional de Medellín. Facultad Nacional de Minas. Ingeniería Civil Medellín. 1982.

176

CAPÍTULO 6

LOS ASFALTOS

INTRODUCCIÓN

El asfalto, es sin lugar a dudas, el material mas versátil y universal por el gran número de aplicaciones que permiten dar solución a buena cantidad de problemas en la construcción.

Los arqueólogos han determinado que las civilizaciones asentadas a lo largo del río Eufrates, usaban el asfalto como material aglutinante en sus construcciones hace 5800 años. Los egipcios, en el año 2500 A.C, también usaron el asfalto. Lo extraían de depósitos naturales; en la actualidad la mayor cantidad de asfalto utilizado es producto de la destilación fraccionada del petróleo; se emplean mucho menos, los asfaltos provenientes de yacimientos naturales como el del Lago Trinidad (Venezuela).

El asfalto tiene particular interés porque es un material fuertemente cementante, altamente adhesivo, impermeable y durable. Es una sustancia termoplástica que proporciona flexibilidad controlable a las mezclas de agregados con las cuales se combina. Además es muy resistente a la acción de la mayor parte de los álcalis, ácidos y sales. Con el calor, disolviéndolo en derivados del petróleo, o emulsificándolo en agua, puede pasar del estado sólido al líquido.

Se utiliza actualmente en la construcción de pavimentos, para cumplir funciones aglomerantes, impermeabilizantes y estabilizadoras.

La estructura de los pavimentos flexibles está conformada por subrasante, sub-base, base y capa de rodadura, que requiere, el uso de material asfáltico para proteger las capas inferiores impermeabilizando la superficie e impidiendo la circulación de aguas lluvias a través de ella; conservar los agregados en el lugar donde se colocan, ya que los cementa, limitando el desplazamiento de las partículas por los vehículos o por los agentes externos; incrementar la capacidad de soporte de la capa de rodadura; eliminar las molestias del polvo. Todo lo cual en su conjunto proporciona una superficie cómoda y durable a los usuarios de la vía.

En algunas ocasiones se utiliza el asfalto para estabilizar la capa de base dando así una mayor resistencia a la estructura del pavimento; este proceso constructivo es utilizado en países ricos porque incrementa los costos de la obra.

DEFINICIÓN

El asfalto es una sustancia de color oscuro que puede ser líquida, sólida o semisólida, compuesta esencialmente de hidrocarburos solubles en sulfuro de carbono en su mayor parte, proveniente de yacimientos naturales o que se obtiene como residuo del tratamiento de algunos crudos de petróleo por destilación o por extracción.

177

CLASIFICACION DE LOS ASFALTOS

NATURALES

ASFALTOS

<

DESTILADOS

DEL PETROLEO

ALTO CONTENIDO DE ASFALTO

MEDIO CONTENIDO DE ASFALTO

BAJO CONTENIDO DE ASFALTO

CEMENTO ASFALTICO O DE PENETRACIÓN ASFALTOS OXIDADOS

J ASFALTOS LIQUIDOS

EMULSIONES

GILSONITA GRAHAMITA GLACE PITCH

CURADO LENTO CURADO MEDIO CURADO RÁPIDO

Asfaltos Naturales o asfaltitas

El asfalto es un componente natural de la mayor parte de los petróleos, en los que existe en disolución. Por procesos de destilación se separan los diferentes hidrocarburos presentes en el petróleo y se recupera el asfalto como producto residual. Cuando este proceso se efectúa en forma natural, da origen a los diferentes yacimientos naturales de asfalto. Por acciones volcánicas en la profundidad, el efecto de contacto y el calor expedido por masas ígneas, se produce la expulsión de las sustancias bituminosas de los estratos inferiores, sustancias que suben en forma de gases aprovechando las grietas, fallas y planos de debilidad de las rocas y se condensan y acumulan en las capas más superficiales en forma de bitumen líquido (petróleo crudo), el cual, después de un largo período de oxidación se convierte en asfalto. Este procedimiento conlleva a que el bitumen se mezcle con los materiales que se encuentren en la zona en el momento en que el fluido mana del fondo de la tierra, contaminándose con sustancias extrañas o mezclándose con partículas minerales y agua.

En general el asfalto natural es un mineral de la familia de los hidrocarburos, sólido, semisólido o pastoso, de color negro brillante.

Clasificación

Existe una gran variedad de depósitos de asfalto natural, aunque se pueden separar en tres grandes grupos:

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Asfaltos con alto contenido de bitumen

Dentro de este grupo están clasificados los asfaltos sólidos o asfaltitas. Poseen un contenido de bitumen mayor del 80%, se encuentran en forma de vetas y bolsas que atraviesan generalmente estratos del cretáceo con espesores de pocos centímetros hasta varios metros, contienen pocas impurezas o materia orgánica insoluble, y presentan un alto contenido de asfáltenos. Sus puntos de ablandamiento son altos, mayores de 132°C. Los solventes son muy escasos debido, tal vez a su formación metamòrfica; gracias a las grandes presiones y temperaturas, la pérdida de éstos es casi total. Según sus características físicas se agrupan en tres tipos:

1. Gilsonita: Es uno de los asfaltos nativos de mayor pureza; posee baja gravedad específica, bajo carbón fijo y bajo contenido de azufre.

2. Grahamita: Presenta un alto contenido de carbón fijo; al aplicarle calor se hincha pero no se funde. Su color en polvo es más negro que las demás asfaltitas.

3. Giace Pitch: Es un intermedio entre la gilsonita y la grahamita. Tienen un punto de fusión y gravedad específica más altos.

Asfaltos con medio contenido de bitumen

Generalmente se presentan como un depósito de afloramiento, de unos pocos metros cuadrados o en extensiones que abarcan varias hectáreas (Lagos de asfalto). Contienen bitumen en proporción del 15% al 80% y se encuentran asociados con materiales pétreos tipo gravas, arcillas, arenas y materia orgánica. Tal vez sean los asfaltos más conocidos, como el del lago Pitch Lake que se encuentra en la Isla Trinidad (Antillas Occidentales). Este depósito consta de un 54% de bitumen natural, 36% de materia mineral y un 10% de agua y materia orgánica. Debido a que la composición y propiedades del lago son notablemente consistentes, esto ha fomentado su uso particularmente en mezclas de especificación precisa para capas de rodamiento en carreteras.

Asfaltos con bajo contenido de bitumen

Áridos (rocas y suelos) asociados con proporciones reducidas de productos bituminosos (Rocas asfálticas). Estos depósitos normalmente consisten en vetas, bolsas o impregnaciones de estratos, por lo general areniscas, con espesores de pocos centímetros hasta varios metros. Con menos frecuencia se han encontrado asociados con pizarras y lutitas algo calcáreas o en intercalación de depósitos de calcita. La proporción de bitumen es menor que la existente en un lago de asfalto y generalmente varía entre el 3% y el 15%, aunque puede llegar hasta el 40%.

El asfalto natural de Norcasia (Caldas) pertenece a éste grupo.

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ASFALTOS NATURALES DE COLOMBIA

En el país, existe una gran cantidad de yacimientos de mezclas asfálticas naturales. En ocasiones estos depósitos asfálticos presentan alta variabilidad en el contenido del ligante bituminoso, la granulometría de los agregados, o la existencia de otras sustancias, lo cual dificulta su empleo eficiente. Se identifican depósitos principalmente en los departamentos de Boyacá, Caquetá, Caldas, Cundinamarca y Tolima. Así mismo, se encuentran yacimientos de asfaltita en los departamentos de Santander y Cesar. En Colombia actualmente solo se explotan algunas minas.

Asfaltos destilados del petróleo

Casi todos los asfaltos que se producen y utilizan actualmente proceden de la refinación del petróleo. El asfalto derivado del petróleo es llamado algunas veces asfalto residual (residuo de la destilación del petróleo) para distinguirlo de los asfaltos naturales.

La producción total de asfalto producido en las tres refinerías colombianas, asciende a 5000 barriles/día.

Hoy en día, es necesario tener un amplio conocimiento de la constitución química del crudo del petróleo, ya que ésta regirá las propiedades químicas del asfalto conocimiento que será de gran ayuda en el control de la función que va a cumplir en la vía.

Para muchos técnicos parece ser innecesario el estudio de la composición química de los materiales, y sólo hacen referencia a sus propiedades físicas y mecánicas mas directamente relacionadas con su aplicación directa. Se ha demostrado a través de los años, que los diferentes problemas que se presentan durante el diseño y la construcción de la estructura de un pavimento se debe principalmente al desconocimiento de sus propiedades químicas. Para lograr un manejo óptimo de cualquier material se hace necesario que se le conozca completamente mediante el estudio de todas y cada una de sus propiedades.

La composición química dei crudo del petróleo va a regular las propiedades físicas y Teológicas de los asfaltos obtenidos.

Componentes químicos del petróleo:

Pueden clasificarse así:

a. HIDROCARBUROS: Son los compuestos mas importantes del petróleo, se componen de átomos de carbono unidos entre sí con enlaces sencillos, dobles y triples y cuyas valencias libres se saturan con átomos de hidrógeno.

Existen dos grandes grupos de hidrocarburos:

1. Los de cadena abierta o acíclicos, que a su vez pueden ser saturados y no saturados; saturados si todos los enlaces entre los átomos de carbono son simples. Se denominan «parafinas» o aléanos; se caracterizan químicamente por su gran estabilidad.

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Los hidrocarburos acíclicos no saturados son aquellos que tienen en la cadena uno o mas enlaces dobles o triples; cuando tienen un sólo doble enlace se llaman alquenos u oleofinas; tienen una gran tendencia a combinarse químicamente con otras sustancias y a polimerizarse.

2. Hidrocarburos de cadena cerrada o cíclicos: en los cuales la cadena de átomos de carbono se cierra formando anillos. Los hidrocarburos cíclicos saturados se denominan "naftenos"; tienen propiedades similares a las de las parafinas sin embargo tienen una mayor densidad y punto de ebullición mas elevado.

b. COMPUESTOS OXIGENADOS: Pueden existir o presentarse por oxidación.

c. COMPUESTOS DE AZUFRE: Son indeseables en los productos derivados pues no sólo tienen un olor desagradable sino que provocan corrosión.

d. COMPUESTOS NITROGENADOS: Existen en cantidades insignificantes, del orden del 0,05% al 0,5%.

e. COMPUESTOS ASFALTICOS Y RESINOSOS: contienen oxígeno, azufre y a veces nitrógeno; poseen carácter plástico que hace muy difícil su identificación; algunos de estos componentes son los asfáltenos sólidos y las resinas neutras.

OBTENCIÓN DEL ASFALTO

Como ya se dijo el asfalto utilizado hoy en día proviene de la destilación del petróleo.

La separación de los hidrocarburos mas livianos del petróleo es posible, recurriendo a la propiedad física de las sustancias que tienen un punto de ebullición definido.

Existen tres formas para llevar a cabo el proceso de destilación, que son: con vacío parcial e inyección de vapor; por medio de solventes, y por craking. En la figura No.20 se muestra un diagrama de este proceso.

El primer método consiste en calentar rápidamente el petróleo, introduciéndolo luego en una torre de destilación para una primera separación de productos, como gasolina, nafta, kerosene y aceites ligeros; queda un residuo pesado que contiene aceites y asfalto. Se continua el proceso aplicando vapor y vacío parcial en la cámara de destilación y se extraen los aceites hasta una cantidad determinada, dependiendo de la consistencia deseada en el cemento asfáltico. La inyección de vapor de agua tiene por objeto disminuir el punto de ebullición de los hidrocarburos por el efecto de presión parcial, y ayuda a la vez a separar los distintos componentes por arrastre. Este proceso se conoce con el nombre de "destilación conservativa".

El tratamiento con solvente se usa para extraer cantidades adicionales de aceites con alto punto de ebullición, utilizados en la fabricación de aceites lubricantes. Los asfaltos obtenidos por este método tienen una alta proporción de productos aromáticos y menor de parafínicos; son mas frágiles y duros que los obtenidos por el proceso de vapor evasivo.

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Fuente: Hugo León Arenas Lozano. Ing. Civil

F IGURAN 0 20. DESTILACIÓN DEL CRUDO

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El tercer proceso es el de craking, utilizado para obtener mayor cantidad de gasolina en la destilación; consiste en aplicar temperatura y presión elevadas, para producir cambios químicos en las moléculas de mayor peso. El residuo asfáltico de este proceso, no sirve para pavimentos porque en obra envejece mas rápido que los otros residuos.

El asfalto obtenido por craking presenta las siguientes características: superficie mate y no brillante peso específico es mas alto que el de un asfalto con la misma penetración y de la misma fuente. En el ensayo de solubilidad en tetracloruro de carbono da un 0,5% o mas de un residuo negro, semejante al carbono. En el ensayo de la mancha el resultado es positivo.

COMPOSICIÓN QUÍMICA

Un conocimiento de la constitución química de los asfaltos ayuda a controlar sus propiedades químicas y físicas, permitiéndole adecuarla a las funciones que va a desarrollar en la vía.

Al igual que el petróleo crudo, es una mezcla de numerosos hidrocarburos, combinados en proporciones diferentes. La mayoría están presente en el petróleo crudo pero el proceso de refinación da lugar a cambios en su estructura molecular. Como los hidrocarburos livianos se eliminan durante ese proceso, la gran mayoría de los hidrocarburos son pesados y de moléculas complicadas.

Los hidrocarburos constituyentes de los asfaltos pertenecen a uno o varios de los siguientes grupos:

a. Alifáticos saturados o parafínicos.

b. Naftenicos o cicloparafínicos.

c. Aromáticos

d. Alifáticos no saturados.

Además del carbono e hidrógeno, los constituyentes principales de los hidrocarburos, se encuentran otros presentes: azufre, nitrógeno, vanadio, níquel, entre otros. Estos minerales desempeñan un papel muy importante dentro del comportamiento del asfalto.

Antes de entrar en la descripción química del asfalto es conveniente definir algunos términos:

Coloide: sistema constituido por un medio de dispersión o fase continua y una fase dispersa muy subdividida y en suspensión en el medio dispersante. Estas sustancias reciben también, el nombre de emulsiones. Las partículas dispersas o micelas tienen tamaño del orden de 10 a 1000 Amstrong (un Amstrong = 10-7 cm). En los sistemas dispersos se generan fuerzas de atracción y repulsión entre la fase dispersa y el medio de dispersión.

Sistemas Coloidales: pueden dividirse en soles o geles, según la intensidad de las fuerzas. El sistema coloidal es tipo sol, cuando existe equilibrio en las micelas por estar compensadas las fuerzas de atracción y repulsión. Desde el punto de vista reológico se comporta como un líquido simple, de fluir Newtoniano, y no presenta valor de fluencia.

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En el sistema gel, las mieelas tienen puntos de contacto entre sí, formando estructuras fijas en el medio de dispersión. Se comportan como sólidos, fluyen por acción de una fuerza finita suficiente para vencer la estructura interna; el valor de la fluencia es medible.

El asfalto es una microemulsión o sistema coloidal compuesto por asfáltenos, maltenos y en algunas ocasiones por carbenos.

Los asfáltenos: Están compuestos por los hidrocarburos mas complejos, de mayor peso molecular y naturaleza aromática. Componen la fase dispersa del sistema coloidal absorbiendo los compuestos de naturaleza aromática, presentes en los maltenos, para formar las mieelas. Son partículas sólidas, cuyo color va desde el café oscuro hasta el negro, sin punto de fusión definido; al calentarse forman una masa viscosa, que se descompone, se hincha y aglutina, dejando un residuo de carbón. La dureza es su característica que comunica al asfalto estabilidad y cuerpo, y permite además la adhesividad con los agregados. Se determinan por ser insolubles en hidrocarburos saturados de bajo punto de ebullición, como el n-pentano o el éter de petróleo. Los asfáltenos concentran los compuestos indeseables de los asfaltos, pues contienen el azufre y los metales pesados.

Los maltenos: Son la fracción soluble en los solventes de bajo punto de ebullición. Están compuestos por resinas o aceites; forman la fase continua del sistema coloidal. Son blandos porque contienen la mitad de la parafina presente en el asfalto, y le comunican propiedades de ductilidad y plasticidad; generalmente existe mayor proporción de maltenos que de asfáltenos; el mayor contenido del primero determina la calidad de un asfalto, es decir, que la naturaleza química de los maltenos regula en gran parte las propiedades químicas de los asfaltos.

Los maltenos se separan, por métodos físicos, en resinas y aceites; las resinas son mas pesadas que los aceites, tienen un punto de ebullición mas elevado, un carácter mas aromático, y presentan mayor poder de absorción.

Los Carbenos: Son cuerpos negros, brillantes, con gran proporción de carbono provienen de la oxidación de los asfáltenos y resinas asfálticas. Una proporción mayor al 2% hace perder al asfalto la ductibilidad y flexibilidad volviéndolo frágil y no recomendable para pavimentación. Son insolubles en tetracloruro de carbono.

Las proporciones de estos hidrocarburos en los asfaltos dependen de la composición del crudo de petróleo y del proceso de refinación utilizado.

Para que los asfaltaneo y maltenos permanezcan en la estructura coloidal debe existir una determinada cantidad de resinas que equilibren la capacidad absorbente de los asfáltenos, los cuales al aglutinarse le dan al asfalto la rigidez.

INFLUENCIA DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ASFALTO EN SUS PROPIEDADES

Los asfáltenos aportan las moléculas más pesadas con un carácter aromático muy marcado; son los responsables de la dureza de los asfaltos.

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La resina proporciona las características cementantes o aglutinantes, y los aceites la consistencia necesaria para hacerlos trabajables, pues permiten el desplazamiento entre micelas.

Los asfáltenos son intrínsicamente muy adherentes, pero al estar rodeados de una cortina de resinas no intervienen directamente en la adherencia con los materiales pétreos. Su presencia es fundamental en las propiedades mecánicas del asfalto, pues el alto poder de absorción de las resinas, proporciona a su núcleo una alta rigidez.

Las propiedades físicas del asfalto dependen de las proporciones de asfáltenos, resinas y aceites que contenga.

Un asfalto con un alto contenido de aceites se comportará como un fluido viscoso, ya que las micelas formadas por los asfáltenos, rodeadas de las resinas absorbidas, flotaran en el líquido aceitoso sin tocarse. Cuando el asfalto es sometido al calentamiento en la planta, sucede una reducción gradual de los aceites, hay un acercamiento entre los núcleos de los asfáltenos y la fricción originada aumenta la viscosidad del asfalto.

Mediante un proceso de oxidación se pueden modificar las cantidades de los componentes en el asfalto, y así los aceites se convierten en resinas y estas en asfáltenos. Los aceites protegen el asfalto de la oxidación por su gran estabilidad química. Por lo que se puede decir que un asfalto con altos contenidos de aceites será mas resistente al envejecimiento o en otras palabras, mas durable, pero será igualmente muy deformable a temperatura ordinaria. Es necesario pues un equilibrio en su composición.

ENSAYOS SOBRE MATERIALES ASFÁLTICOS

Los ensayos realizados en los materiales asfálticos se pueden agrupar en:

a. PRACTICOS: Son los que determinan la calidad del material, analizando su comportamiento en la obra, con el mayor grado de confiabilidad; son ensayos por lo general de larga duración, porque se practican haciendo tramos experimentales o pistas de ensayo. Una variante de estos ensayos son las pruebas aceleradas del laboratorio donde se trata de reproducir las condiciones del campo.

b. ENSAYOS EMPIRICOS: Como su nombre los indica no tienen mayor fundamento práctico, no miden el comportamiento del material, pero verifican si éste se halla dentro de los límites establecidos en las respectivas especificaciones; se hacen siguiendo normas precisas para poder establecer comparaciones, entre ellos tenemos los siguientes:

Viscosidad de los asfaltos

Una de las propiedades que mas interesan desde el punto de vista ingenieril es la viscosidad de los asfaltos. La viscosidad se define como la resistencia que ofrece a la deformación; resistencia que se debe básicamente al rozamiento interno de las moléculas.

Para medir la viscosidad de los asfaltos se hace necesario utilizar diferentes métodos, según las normas ASTM D 3265, D 2171.

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a. Métodos absolutos: cuando la viscosidad del material puede ser calculada conociendo solamente las dimensiones del equipo y las fuerzas operantes; entre estos métodos podemos citar el viscosímetro de placas deslizantes y los viscosímetros capilares.

Viscosímetro de placas deslizantes: Ver figura No.21. Llamado también viscosímetro de placas paralelas, es utilizado para el estudio de la viscosidad a baja temperatura. Consta de dos láminas de vidrio entre las cuales se coloca el material en estudio en una lámina de espesor conocido. Una de las placas se fija verticalmente al fondo de un baño termostático y se carga la otra mediante un dispositivo que permite medir, con gran precisión los desplazamientos de la lámina móvil bajo los efectos de la fuerza aplicada; la fórmula puede escribirse como:

FIGURA No.21. VISCOSÍMETRO DE PLACAS

F = K x V x n siendo:

F = La fuerza aplicada. V = Velocidad relativa entre las placas, n = Viscosidad que se quiere encontrar K = Constante del equipo que depende del área de las láminas y la separación entre ellas.

Viscosímetros capilares: según la temperatura del ensayo, es necesario o no ejercer vacío para permitir el ascenso del asfalto a través del tubo capilar. El ensayo consiste en medir el tiempo que gasta en pasar el asfalto de una marca a otra, en el descenso o ascenso del nivel.

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La viscosidad se determina así:

n = — — 8.V.L

Donde; V = Volumen de líquido que pasa en un tiempo t. r = Radio del capilar en cm. p = Presión en dinas/cm2

Si el viscosímetro se calibra con líquidos patrones, la ecuación será igual a K.t. Donde:

K = Constante de calibración en poise/seg. t = Tiempo de flujo en segundos

La viscosidad medida por estos dos métodos se denomina viscosidad dinámica o absoluta y se expresa en poises.

Las viscosidades de los asfaltos varían desde unos pocos centi-poises a elevadas temperaturas, a 1010 poises o mas, a bajas temperaturas.

b. Métodos secundarios: En estos métodos se emplean aparatos que deben ser calibrados mediante líquidos de viscosidad conocida, como el viscosímetro Saybolt Furol.

El equipo consta de un recipiente para la muestra asfáltica; de un baño para dar la temperatura exacta del ensayo; de un orificio estandarizado a través del cual circula la muestra; recipiente aforado para recibirla y termómetros.

El ensayo consiste en dar la temperatura adecuada a la muestra, quitar el tapón del orificio y medir el tiempo necesario para que pasen 60 cm3.

En cementos asfálticos es posible hacer el ensayo a una temperatura de 135°C en este equipo; pero para temperaturas de 60°C por la alta viscosidad del cemento asfáltico debe emplearse el método de los tubos capilares.

La viscosidad cinemática en función de la viscosidad furol se determina así:

n = 0,0216 x F Donde; n = Viscosidad cinemática en stoques. F = Viscosidad Saybolt - Furol en SSF SSF = Segundo Saybolt - Furol, así se reporta el tiempo del ensayo.

Las temperaturas para los ensayos de viscosidad en los cementos asfálticos son: De 135°C, por ser ésta una temperatura próxima a la de mezclado o elaboración de mezclas asfálticas en caliente. La de 60°C, porque se aproxima a la temperatura máxima que en ciertas regiones de la tierra se puede presentar durante el verano.

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El viscosímetro furol se utiliza también para analizar la viscosidad de asfaltos diluidos y de emulsiones asfálticas. En los asfaltos líquidos el ensayo se hace a una temperatura de 60°C y en las emulsiones asfálticas a 50 y 25°C, según el rompimiento de la emulsión.

c. Métodos técnicos o empíricos: Son aquellos métodos que utilizan técnicas rápidas y sencillas como el de penetración, flotación y punto de ablandamiento.

Punto de ablandamiento

Es una ensayo que busca determinar la temperatura a la cual se produce el ablandamiento del asfalto.

El procedimiento del ensayo según las normas ASTM D 2398, D 36 es el siguiente: En el interior de un vaso con agua o glicerina, a una temperatura de 5°C, ver figura No.22.

a) Diagrama del aparato al b) Diagrama en el que se ve el comienzo del ensayo final del ensayo

FIGURA No.22. ENSAYO PUNTO DE ABLANDAMIENTO

Se coloca el anillo con la muestra a una altura de 1 pulgada del fondo del recipiente; sobre la muestra se pone una esfera de acero de dimensiones y peso estandarizado, paralelamente se coloca un termómetro; el calentamiento se hace ircrementando la temperatura a razón de 5°C por minuto.

El asfalto con el calor se ablanda, la esfera penetra en la muestra y arrastra el material bituminoso hasta tocar el fondo. La temperatura correspondiente a este momento de contacto se reporta como punto de ablandamiento.

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Aunque el ensayo no es una medida correcta de la consistencia de los asfaltos, da una idea, por la comparación de resultados en diferentes asfaltos. Además, el ensayo se utiliza para determinar la susceptibilidad térmica de los asfaltos oxidados y de los sólidos, clasificándolos por el punto de ablandamiento. Así, un asfalto de PA 240 es menos susceptible a la temperatura que uno de PA 190; los números 240 y 190 corresponden a la temperatura del punto de ablandamiento.

La elección de un asfalto para una obra vial o de otro tipo, debe tener en cuenta la temperatura de ablandamiento, según el clima y condiciones de trabajo a que estará sometido.

Penetración

El ensayo según la norma ASTM D 946 consiste en determinar la penetración de una aguja en una muestra de asfalto, en condiciones estandarizadas de peso y diámetro de la aguja; temperatura de la muestra y tiempo de penetración. Las condiciones de laboratorio más usadas en cementos asfálticos son: Temperatura de la muestra 25°C

P^so de la aguja 100 g. Tiempo de penetración 5 seg.

La penetración se mide en décimas de mm.

Puede ser fundamentalmente una medida de la viscosidad pero es un ensayo de esfuerzo de corte variable, porque a medida que la aguja penetra, provoca un desplazamiento del mismo, es decir, el asfalto fluye por acción del esfuerzo transmitido. Este esfuerzo disminuye a medida que aumenta la superficie de contacto entre la aguja y el asfalto.

Clasificación de los cementos asfálticos según el ensayo de penetración

Aunque actualmente los cementos asfálticos se clasifican por su viscosidad, existe una clasificación por el resultado del ensayo de penetración, realizado en las condiciones estandarizadas anotadas anteriormente. Los cementos asfálticos se clasifican así:

1 AC 40-50; AC 60-70; AC 85-100; AC 120-150; AC 200-300.

Donde Ac es la abreviatura de cementos asfálticos, y los números indican el mínimo y máximo entre los cuales puede estar la penetración, expresados en décimas de milímetro.

Susceptibilidad térmica e índice de penetración: La consistencia de los cementos asfálticos varía con la temperatura; a bajas temperaturas son sólidos, a temperaturas intermedias viscoelásticos y a altas temperaturas son líquidos viscosos; por esto se les llama termoplásticos; sin embargo, la variación o susceptibilidad a la temperatura no es igual en todos, si no que depende de la composición del petróleo, del proceso seguido en la destilación, del envejecimiento u oxidación del asfalto.

Pfeiffer y Van Doormal, partiendo del punto de ablandamiento y de la penetración a 25°C, definieron el índice (IP), como una medida de la susceptibilidad térmica y de la desviación del comportamiento newtoniano del ligante. Tomaron como referencia un asfalto mexicano de penetración 200 a 25°C, al cual le atribuyeron un (IP) = 0.

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El (IP) de un asfalto se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

IP = 2 0 - 1 0

501og(PTl/PT2) T1-T2

1 + 50 log(PTl / PT2) T1-T2

Donde;

PT2 = Penetración a temperatura de 25°C PT1 = Penetración a temperatura diferente de 25°C. TI y T2 = Temperaturas respectivas de los ensayos de penetración.

Los asfaltos cop (IP) menor de cero son menos susceptibles que el de referencia y los de (IP) mayor a cero son mas sensibles a los cambios de temperatura.

Por lo general las especificaciones fijan entre -1,5 y +0,5 los valores de (IP), en los asfaltos empleados en pavimentación.

En asfaltos que provienen del mismo crudo, obtenidos por la reducción directa (vacio-vapor), aunque tengan diferente consistencia, el (IP) no varía.

El soplado o inyección de aire en el asfalto caliente incrementa el (IP), según la intensidad del proceso; igualmente lo hace el envejecimiento. Los asfaltos tipo sol tienen (IP) inferior a -2, poseen alta susceptibilidad térmica y el flujo es Newtoniano. Los (IP) superiores a +2 corresponden a asfaltos tipo gel, cuyas propiedades son elásticas.

Los asfaltos obtenidos por craking presentan una susceptibilidad muy grande a los cambios de temperatura además, y se caracterizan, además por una baja durabilidad en servicio.

Existen otros ensayos para determinar la calidad del cemento asfáltico, por ejemplo:

Punto de rotura Fraass (Fragilidad)

El punto de rotura Fraass es la temperatura a la que el asfalto se torna quebradizo, lo cual se advierte por la aparición de grietas cuando se enfría una película delgada de asfalto de 0.05 cm de espesor sobre una superficie metálica a razón de 1°C por minuto y sometido a flexión a velocidad constante. La fragilidad de un asfalto depende fundamentalmente de la velocidad de deformación y de la temperatura.

Investigaciones realizadas indican que a la temperatura de fractura los asfaltos poseen la misma viscosidad, del orden de 4xl09 poises y la penetración es aproximadamente 1,25 décimas de milímetro. Este ensayo no se usa habitualmente en asfaltos para carreteras; se emplea más para materiales bituminosos, utilizados en impermeabilización.

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Ductilidad

Son materiales dúctiles aquellos que permiten ser estirados hasta formar hilos. Una propiedad de los asfaltos es su capacidad de mantenerse coherentes bajo grandes deformaciones cuando se someten a tracción bajo el tránsito. El ensayo según la norma ASTM D 113, mide el alargamiento, antes de la rotura, de una probeta de cemento asfáltico estirada por sus extremos a velocidad constante. Normalmente el ensayo se realiza a 25°C y la velocidad de alargamiento es de 5 cm por minuto. La sección transversal mínima de la probeta es de 1 cm2. (Ver figura No.23).

La dispersión de los resultados es bastante grande siendo difícil deducir de ellos análisis de tipo práctico; sin embargo, si la probeta se somete a velocidades de deformación y temperaturas correspondientes a las que estarán sometidas en el pavimento los resultados obtenidos son aprovechables.

Los materiales bituminosos utilizados en pavimentación deben poseer cierto grado de ductilidad; esto les permitirá absorber deformaciones sin que se produzca el agrietamiento de la capa de rodadura; además la ductilidad hace mas duradero el recubrimiento de las partículas del agregado.

Punto de inflamación

Al calentar los asfaltos se produce la volatización de los hidrocarburos mas livianos. Siendo necesario, como medida de seguridad, conocer la temperatura a la cual se encienden estos gases, el ensayo de punto de inflamación sirve además para controlar la calidad de los productos asfálticos, permitiendo detectar si han sido contaminados durante el transporte. La mezcla con otros hidrocarburos puede alterar la temperatura de inflamación y la penetración.

El equipo utilizado para este ensayo según normas ASTM D 2823 y D 2824 depende del tipo de asfalto. En asfaltos con punto de inflamación menor de 93°C se usa la copa abierta de Tag, en la cual

FIGURA No. 23. ENSAYO DE DUCTILIDAD

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se calienta primero un líquido que rodea la muestra, puede ser agua o glicerina. Para los asfaltos con punto de inflamación superior a los 93°C se emplea la copa abierta de Cleveland; aquí la muestra se calienta directamente.

El ensayo consiste en calentar la muestra a velocidad controlada; cuando está cerca del punto de inflamación supuesto, se pasa una llama por encima de la muestra, cada vez que la temperatura se incrementa en 1 ó 2 °C, dependiendo del equipo empleado. El punto de inflamación es la temperatura correspondiente al instante en que al pasar la llama por la muestra, ésta se enciende momentáneamente. El calentamiento se continua así como el paso de la llama por la muestra, cuando la muestra se enciende y la duración de la llama es de 5 seg la temperatura a la cual se encuentra la muestra es el punto de fusión o de combustión.

Envejecimiento de película delgada o pérdida por calentamiento

El ensayo tiene por objeto establecer los cambios que sufren los asfaltos al ser calentados a altas temperaturas con el fin de llevarlos a la viscosidad adecuada de manejo, determinando la pérdida en peso por la volatilización de los compuestos y el incremento de la consistencia, por medio del ensayo de penetración.

La alteración de los asfaltos se puede producir por el calentamiento en la planta, o al momento de hacer la mezcla, porque allí la temperatura es alta y el espesor de la película pequeña, facilitando la oxidación, la volatilización de hidrocarburos y la absorción de algunos compuestos de los agregados; los cambios que se originan son irreversibles.

El ensayo según la norma ASTM D 529 consiste en determinar la consistencia del asfalto a 60°C, someterlo al ensayo de envejecimiento en película delgada en el aparato que se muestra en la figura No.24; la muestra debe tener un espesor de 3 mm y se deja por 5 horas a la temperatura de mezclado, para luego determinar nuevamente su consistencia.

FIGURA No.24. ENSAYO DE PELÍCULA DELGADA

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Se denomina índice de envejecimiento a la relación entre la consistencia después del ensayo y la consistencia antes del ensayo.

le = nF/ni

Este índice brinda un valor de mayor base científica que los obtenidos en los clásicos ensayos de penetración, al permitir evaluar la consistencia que se daría de dar al producto en obra luego de mezclarlo y de compactarlo.

Solubilidad

La solubilidad es una medida de la pureza del asfalto. La fracción soluble en disulfuro de carbono representa los constituyentes cementantes activos del producto. Las materias inertes y no cementantes como sales, carbón libre e impurezas orgánicas son insolubles en este solvente.

Existen dos ensayos según las normas ASTM D 4042 y D 147 para el análisis de pureza de los asfaltos:

a. El de solubilidad en disolventes orgánicos que consiste en disolver el asfalto en uno de los siguientes solventes: bisulfuro de carbono, tetracloruro de carbono, o tricloroetileno; la muestra debe pesar 2 g ; cuando se haya logrado la disolución se pasa a través de un filtro de asbesto, al cual se le ha determinado el peso seco antes de empezar el proceso de filtrado. Después del filtrado se seca y se pesa nuevamente. La diferencia de peso inicial y final dará el peso del asfalto no soluble. Este se expresa en porcentaje con relación al peso inicial.

b. El ensayo de la mancha permite medir el grado de homogeneidad del asfalto de manera cualitativa. La prueba consiste en disolver una muestra de asfalto en nafta estándar u otros disolventes especificados. Al cabo de una hora se deposita una gota de la muestra sobre un papel filtro; la prueba es negativa si la gota se distribuye en una mancha de color oscuro y uniforme. En este caso el asfalto se considera homogéneo. Si el color mas oscuro es anular o si el centro de la mancha es mas oscuro, la prueba es positiva y el asfalto heterogéneo. En la figura No.25 se muestran los dos tipos de resultados.

N E G A T I V O P O S I T I V O

FIGURA No.25. ENSAYO DE LA MANCHA

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Contenido de agua

Según la norma ASTM D 1228, es un ensayo de control de calidad del producto asfáltico. El agua presente en los cementos asfálticos o en los asfaltos líquidos ocasiona problemas en el calentamiento, porque se produce espuma en los recipientes y puede provocar el derrame del asfalto.

El ensayo consiste en destilar una muestra representativa del asfalto, mezclada con un solvente de destilación no miscible con el agua del cual el 90% ebulle a una temperatura menor de 210°C y mayor de 100°C.

Durante el proceso de calentamiento el solvente se evapora junto con el vapor de agua; solvente y agua se condensan y depositan en el colector o trampa; el agua al ser mas pesada se deposita en el fondo del colector y el solvente en la parte superior; cuando se llena el colector, el solvente regresa al recipiente de destilación; el calentamiento se prolonga hasta observar que el nivel de agua no varié. Al finalizar el ensayo se lee el volumen de agua en la trampa.

Del ensayo se reporta el porcentaje de agua que es igual al volumen de agua con respecto al volumen inicial de muestra, expresada también en porcentaje.

PROPIEDADES DEL ASFALTO COMO MATERIAL LIGANTE

Durabilidad

Se define como la capacidad para mantener las propiedades ligantes y cohesivas en la mezcla, antes y después de envejecida. La durabilidad de una capa de rodadura en servicio está ligada a las propiedades físico-químicas del ligante, que a su vez regula su comportamiento reológico, además de las propiedades propias de la mezcla.

Todos los materiales bituminosos utilizados en la construcción de capas de rodadura asfáltica cambian con el tiempo, de una u otra forma, bajo la acción de factores externos e internos.

La consistencia del asfalto cambia con la temperatura haciéndose mas blando en tiempo cálido y mas duro en tiempo frío. El asfalto expuesto a la intemperie se endurece constantemente como resultado de las influencias del clima.

Resulta difícil elegir la propiedad o propiedades del cemento asfáltico que deben tenerse en cuenta en las pruebas de durabilidad. Una forma de enfrentar este problema es idear un ensayo o grupos de ensayos que determinen la durabilidad del cemento asfáltico, reproduciendo el estado que alcanza después de algunos años de aplicado en la carretera, para lo cual se puede escoger en las carreteras tramos experimentales, con diferentes tipos de cemento asfáltico y determinar su comportamiento, mediante la medida de la variación química que rige su comportamiento en obra.

Por otra parte, aunque existen muchas investigaciones que de alguna manera tratan de correlacionar algunos ensayos rápidos con el comportamiento del asfalto durante su envejecimiento, existe dificultad para determinar cual o cuales propiedades físicas del asfalto deben investigarse en relación con la

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irabilidad. La mayoría de los investigadores han escogido la viscosidad, la ductilidad o la fragilidad >mo índice de envejecimiento, pero es evidente que no puede confiarse a ningún ensayo rápido; debe r, mas bien, producto del análisis de su comportamiento en condición de obra.

rdctores que afectan la durabilidad

Entre los factores mas importantes que producen la disminución de la durabilidad de un asfalto en las condiciones normales de trabajo, se encuentran:

- Evaporación de los componentes volátiles porque el asfalto contiene maltenos de diferentes características que le proporcionan adherencia y flexibilidad, pero que cuando son sometidos a cambios intensos de temperatura pueden volatizarse, bien durante el mezclado en planta o bien durante la vida útil del pavimento. En el primero de los casos, cuando se mezcla el asfalto caliente con los agregados, también calientes extendiéndolo en películas delgadas sobre la superficie, durante el proceso de mezclado, las condiciones son muy favorables para la pérdida de volátiles y para la oxidación. En el segundo el proceso de larga duración, pues aunque el asfalto está sometido a temperaturas moderadas, las características propias de la mezcla pueden llegar a afectar irreversiblemente su durabilidad.

Una vez puesto en obra, la acción de los agentes atmosféricos, especialmente la acción del oxígeno, catalizada por la radiación ultravioleta de la luz solar, y la elevación de temperatura, producen una oxidación de las moléculas mas susceptibles y como consecuencia un envejecimiento del ligante que va perdiendo consistencia, se torna quebradizo y frágil, permitiendo que el agua penetre a través de la película y desplace el asfalto con el consiguiente deterioro de la mezcla.

Los mayores cambios del asfalto, ocurren durante el mezclado; el ensayo utilizado con mayor frecuencia, para reproducir dicha acción, es el ensayo de pérdida por calentamiento en película delgada.

Consistencia „ *«* '

Es el estado físico que presenta un asfalto en un momento dado, con relación a los estados sólidos, líquido y gaseoso de la materia.

El asfalto a temperatura ambiente es un material sólido, o semisólido que mediante el calentamiento pasa de manera gradual al estado líquido. La consistencia de un asfalto depende directamente de su temperatura, relación que se conoce como susceptibilidad. La consistencia se mide con el ensayo de penetración.

Viscosidad

Es una de las propiedades del asfalto que mas interesa al ingeniero. Se define como la resistencia que ofrece a la deformación, debida al rozamiento interno de las moléculas, la cual ya fue tratada anteriormente.

Propiedades Reológicas

La estructura coloidal de los asfaltos hace bastante complicado el estudio de sus propiedades reológicas, acentuado aun mas por su carácter termoplástico, es decir, la propiedad de ablandarse y hacerse deformable por efecto del calor, recuperando al enfriarse sus propiedades primitivas.

193

En las propiedades Teológicas se estudia la deformación producida en el asfalto por efecto del esfuerzo cortante, suficientemente grande para hacerlo fluir, pero íntimamente ligado al tiempo de aplicación de la carga.

Adherencia

Es la capacidad de un ligante para quedar fijo en el agregado, al que recubre, sin peligros de desplazamiento, incluso en presencia del agua y del tráfico.

La adherencia entre asfalto y agregado, no presenta mayor problema en ausencia de agua, sin embargo el polvo, en cantidades excesivas, sobre los agregados puede afectar la adherencia.

En el fenómeno de adhesividad entre agregado y asfalto, intervienen en gran número de factores, entre ellos tenemos:

-Porosidad de los agregados. -Espesor de la película de asfalto. -Viscosidad del asfalto. -Naturaleza del ligante -Composición mineralógica del agregado.

Hoy en día se utilizan algunos compuestos químicos, llamados activantes, que permiten mejorar la adherencia entre asfaltos líquidos y emulsiones asfálticas con los agregados fríos y húmedos.

ASFALTOS LÍQUIDOS O DILUIDOS

Una de las formas de aumentar la manejabilidad de los asfaltos a temperaturas mas bajas, que las requeridas por los cementos asfálticos, es mezclándolos con solventes derivados del petróleo.

Según sea el solvente implicado en la disolución: Gasolina, kerosene o aceites, el asfalto así diluido, recibe el nombre de:

- Asfalto líquido de curado rápido (RC) cuyo solvente es gasolina.

- Asfalto líquido de curado medio (MC) cuyo solventes es kerosene.

- Asfalto líquido de curado lento (SC) cuyo solvente es aceite natural.

Estos asfaltos líquidos también se fabrican con diferentes proporciones de solventes desde un 18% hasta un 50%. En la actualidad, los asfaltos líquidos poco se fabrican, por el alto costo del solvente y por la contaminación que éste produce al evaporarse.

Para determinar la calidad del asfalto líquido, se hacen ensayos de viscosidad en el viscosímetro Saybol - furol, destilación, punto de llama y contenido de agua; además ensayos de penetración, ductilidad y solubilidad en tetracloruro, al residuo obtenido después del ensayo de destilación.

194

• Ensayo de destilación: Sirve para identificar los solventes que contiene el asfalto líquido y sus volúmenes respectivos; además separa el residuo asfáltico de los solventes, permitiendo realizar en él ensayos de caracterización y calidad.

El ensayo consiste en tomar una muestra representativa de 200 cm3, que se somete a calentamiento, controlando la velocidad; al someterla a este proceso se produce la destilación de los solventes, según su temperatura de ebullición, haciendo la corrección que exija la altura del lugar donde se realiza con respecto al nivel del mar. Al terminar el ensayo se vierte el residuo y se le hace a éste los ensayos de penetración, ductilidad y solubilidad.

• Clasificación de los asfaltos líquidos: Aunque en un principio se hacía teniendo en cuenta el porcentaje de solventes, hoy en día se clasifican por su viscosidad que se verifica en el viscosímetro Saybol Furol. La viscosidad tiene relación con la proporción de solvente.

Los asfaltos líquidos fabricados y normalizados por el Instituto del Asfalto son:

RC 70 RC 250 RC 800 RC 3000

MC 30 MC 70 MC 250 MC 800 MC 3000

SC 70 SC 250 SC 800 SC 3000

El número indica el menor valor del intervalo en el cual puede estar la viscosidad en Centistokes. El intervalo está en cada caso entre el valor indicado y su doble; así un asfalto Re 250, es un asfalto líquido, cuyo solvente principal es gasolina y su viscosidad esta entre 250 y 500 centistokes.

EMULSIONES ASFÁLTICAS

Introducción

En la actual crisis energética, el precio del crudo del petróleo aumenta continuamente, lo que obliga a estudiar nuevos métodos y técnicas que permitan el ahorro de energía. El asfalto, producto de la destilación del crudo del petróleo, es el ligante mas empleado en la construcción y mantenimiento de carreteras, pero tiene el inconveniente, de que a temperatura ambiente es imposible su manejo, pues tiene una consistencia casi sólida; es necesario bajar su viscosidad, calentándolo y manteniéndolo a esta temperatura durante su aplicación, lo que constituye un proceso costoso y difícil.

Las emulsiones asfálticas ofrecen una solución al problema de aplicación de un asfalto a temperatura ambiente, sin temor a la presencia de humedad, o a la contaminación por productos disolventes.

Las primeras emulsiones fabricadas fueron las aniónicas en 1923 y luego las catiónicas en 1955. Los países pioneros en estas técnicas fueron Francia y España. La crisis energética de 1974, obligó a mejorar y difundir el uso de estas emulsiones. Hoy en día las emulsiones reemplazan a los asfaltos líquidos en la gran mayoría de las obras.

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Definición

Una emulsión es la dispersión de un líquido en otro, no miscibles entre sí, en forma de partículas microscópicas, con diámetro promedio 10 mieras. El líquido que se dispersa se llama fase dispersa, interna o discontinua, y el líquido en el cual se realiza la dispersión se llama fase dispersante, externa o continua.

Si la fase dispersante es el agua, la emulsión se llama directa o emulsión de "aceite en agua"; y si es el agua la fase dispersa la emulsión se llama inversa o de "agua en aceite".

En el caso de las emulsiones asfálticas la fase discontinua la constituye el asfalto y la continua el agua, por lo que son emulsiones directas.

Durante el proceso de fabricación de las emulsiones es necesario agregar un agente emulsionante o emulgente cuyas funciones son:

-Disminuir la tensión interfacial, entre el asfalto y el agua.

-Facilitar la dispersión de los glóbulos de asfalto.

-Crear una película protectora alrededor de las partículas de asfalto. Esta película está cargada eléctricamente, por lo que impide que el glóbulo de betún pueda unirse con otros. Esto facilita el almacenamiento.

-Favorecer la adherencia entre el árido y el ligante.

Clases de emulsiones

Las emulsiones, según la polaridad que el emulsifícante o emulgente proporcionen al asfalto, pueden ser:

a) EMULSIONES CATIÓNICAS O ÁCIDAS: Son aquellas fabricadas con emulgentes iónicos que al disociarse en el agua, hacen que el glóbulo de asfalto quede rodeado de cargas positivas.

Los emulgentes utilizados son sales originadas por la acción de ácidos minerales, normalmente el CLH sobre productos amínicos (derivados del nitrógeno).

Las emulsiones catiónicas tienen gran adherencia con los agregados silíceos, ya que éstos en contacto con el agua, ionizan negativamente atrayendo los glóbulos de asfalto cargados positivamente.

Además las emulsiones catiónicas también presentan afinidad con los agregados calizos porque la reacción entre el ácido clorhídrico de la emulsión con el calcio de los agregados forma un compuesto soluble en el agua y deja el agregado con carga negativa.

b) EMULSIONES AMÓNICAS: Son aquellas que han sido fabricadas a partir de emulgentes iónicos que al disociarse en el agua, hacen que el glóbulo de asfalto quede rodeado negativamente.

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Los emulgentes aniónicos, normalmente usados, son sales (jabones) procedentes de la reacción química de ácidos grasos de cadena larga o resinas, con bases inorgánicas fuertes (NaOH, KOH).

Cabe anotar que la adherencia de la emulsión con el agregado, no sólo depende de la naturaleza del agregado sino también de su textura, limpieza y temperatura.

Propiedades de las emulsiones

Las propiedades mas importantes de las emulsiones son:

a) VISCOSIDAD: depende esencialmente del porcentaje de asfalto que está entre un 50 y un 70%; un contenido de asfalto por encima del 70% hace aumentar rápidamente la viscosidad. Además del porcentaje de asfalto influye en la viscosidad la naturaleza del emulsificante, el tamaño de los glóbulos de asfalto, presentando mayor viscosidad cuanto mas uniformes sean.

Cuando la emulsión tiene una viscosidad muy alta, dificulta su aplicación pero garantiza un espesor de película adecuado para cubrir los agregados, en mezclas abiertas y tratamientos superficiales.

Las emulsiones de baja viscosidad se usan cuando la cantidad de ligante por unidad de superficie es pequeña, como en el caso de imprimaciones, riego de adherencia, o sello con agregado fino.

Para determinar la viscosidad de una emulsión se utiliza el viscosímetro Saybolt Furol; cuando la emulsión es de rompimiento rápido o medio la temperatura de ensayo es de 50°C, y cuando es de rompimiento lento es de 20°C.

b) COHESIVIDAD: Se define como la resistencia a la rotura.

Rotura de las emulsiones: El principal objetivo que se busca al emplear una emulsión es unir un agregado con el asfalto que tiene la emulsión, lo cual se consigue por el fenómeno de rotura. La rotura de una emulsión es la separación irreversible del asfalto y del agua, quedando el asfalto adherido a la superficie de los agregados, y eliminándose el agua por evaporación.

Atendiendo a la velocidad de rotura las emulsiones se pueden clasificar:

-Emulsiones de rotura rápida: Se utilizan en los diferentes tipos de riego, y en tratamientos superficiales con gravilla.

-Emulsiones de rotura media: Se emplean en la fabricación de mezclas abiertas almacenables.

-Emulsiones de rotura lenta: Con ellas se preparan mezclas densas, se estabilizan suelos y arenas y se preparan lechadas bituminosas.

La rotura de una emulsión puede deberse a aspectos tales como:

- Afinidad electrostática entre los glóbulos del asfalto y las cargas de la superficie del agregado. Es decir, la emulsión, se rompe por reacción química, formándose por la neutralización de las

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cargas, un compuesto químico insoluble que hace de puente de unión entre los glóbulos del asfalto y los agregados.

Si la emulsión es aniónica, existe atracción por los agregados cuya superficie es positiva, como en el caso de las calizas.

Si la emulsión es catiónica, presenta afinidad tanto por los agregados silíceos, como por los agregados calizos.

- Rotura por evaporación

- Rotura por dilución

- Rotura por congelación

- Por adición de electrolitos

En cuanto a la velocidad de rotura se puede decir: Que a mayor cantidad de emulsifícante mas tardío será el rompimiento, y cuanto mas fino sea el agregado mas rápida será la rotura; la humedad del agregado, las condiciones climáticas, el tipo de emulsifícante, la naturaleza del asfalto, el PH y la gradación de la emulsión son también factores que intervienen en la velocidad de rompimiento de la emulsión.

c) ESTABILIDAD: La estabilidad de una emulsión se puede ver desde dos puntos de vista:

' f - Estabilidad al almacenamiento: Durante el almacenamiento se presentan dos fenómenos: La

formación de nata en la superficie de contacto con el aire y la sedimentación, cuando hay diferencia entre las densidades del medio continuo y el discontinuo, o por el tamaño de los glóbulos de asfalto.

No se puede mezclar emulsiones aniónicas con catiónicas porque se produce el rompimiento.

La estabilidad al almacenamiento se mide, tomando una muestra representativa, almacenándola por 24 horas o 5 días; según el tiempo que se escoja, cumplido el tiempo de almacenamiento, se toma una muestra del fondo y otra de la superficie, y se someten a evaporación, para obtener el residuo asfáltico de cada una; el peso de estos residuos se expresa como porcentaje y se calcula la diferencia, que será.la diferencia de sedimentación, dato que se compara con las especificaciones.

- Estabilidad frente a los agregados: Depende de la emulsión y de los agregados.

d) PH O ACIDEZ: El PH de una emulsión es una característica de la fase acuosa que influye en su estabilidad y adherencia; así al aumentar el PH, aumenta la estabilidad, pero disminuye la adherencia.

Para medir el PH se utiliza un PHmetro, valores menores a 7 proporcionan mayores adherencias pero menor estabilidad de las emulsiones.

Otro ensayo que se hace a la emulsión para su control de calidad es la destilación, proceso mediante el cual se determina su composición en cuanto a contenido de asfalto, agua y emulsifícante.

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hste ensayo es importante, porque el contenido de astalto tiene relación con otras características como son la viscosidad y la estabilidad.

El ensayo consiste en tomar 200 gramos de la emulsión, hacer el montaje adecuado para la destilación, someter la muestra a una temperatura de 260°, mantener esta por 15 minutos. Se lee el volumen de agua destilada y de fluidificantes; por último se calculan los porcentajes de cada uno de los componentes. Sobre el residuo asfáltico se realizan los ensayos de ductilidad, penetración y solubilidad para conocer sus características.

Si sólo se desea información sobre la cantidad de asfalto, el ensayo se puede hacer en el horno a una temperatura de 163°C.

ASFALTOS PRODUCIDOS EN COLOMBIA

La totalidad de los asfaltos fabricados y consumidos en Colombia son producidos por Ecopetrol, en sus refinerías de Barrancabermeja, Cartagena y Apiay; en esta última se mezclan los crudos de Apiay y de Castilla. La empresa fabrica el asfalto de penetración AC60-70, a partir de la base asfáltica, obtenida de la destilación al vacío de crudos seleccionados; y los asfaltos líquidos MC70 y RC250.

El asfalto AC60-70 se empezó a producir a partir de 1982.

A continuación se relacionan las propiedades físicas promedio de los asfaltos provenientes de las tres refinerías:

TABLA No.34. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ASFALTOS

ANÁLISIS ASFALTO

ANÁLISIS CIB CAR APIAY

Peso específico 0.996 1.007 .1.028

Penetración @ 25°C, mm/10 76 85 70

Punto de chispa, °C 320 240 238

Punto de ablandamiento, °C 47.7 44.8 48

Viscosidad @ 60°C, Poises 1810 1100 1800

Viscosidad @ 135°C, cSt 342 220 300

Oliensis Positivo Positivo Positivo

Equivalente % Xileno-Heptano 5 - 1 0 1 5 - 2 0 2 5 - 3 0

Ductilidad > 100 > 100 > 100

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CAPÍTULO 7

ACERO DE REFUERZO

El hierro es un material metálico blando, dúctil y de baja resistencia en sus condiciones de hierro puro tiene poca aplicación y además es costoso producirlo, pues se encuentra en la naturaleza en forma de óxido de hierro, con una gran cantidad de impurezas que mejoran algunas de sus características, tales como resistencia, ductilidad, haciéndolo apto para diferentes usos en la industria.

Los materiales ferrosos son principalmente aleaciones de hierro y en carbono que contienen pequeñas cantidades de azufre, fósforo, silicio, manganeso y aluminio. La presencia de manganeso, aumenta la dureza y resistencia pero dificulta la ductilidad, favorece la separación de azufre. El silicio es un agente desoxidante que disminuye la presencia de burbujas en los lingotes vaciados, aumenta la resistencia y el límite elástico sin disminuir la ductilidad.

El azufre es una de las impurezas más perjudiciales, reduce la resistencia, forjabilidad y ductilidad, su contenido debe limitarse a 0.05%.

El aluminio es un desoxidante que facilita el escape de los gases en el acero derretido.

La presencia de fósforo, hace que el acero sea frágil en frío: su contenido debe limitarse a 0.05%.

Algunos materiales ferrosos se alean con otros materiales como níquel, cromo, molibdeno vanadio u otros elementos para mejorar sus propiedades físicas y mecánicas.

Las formas más comunes de los materiales ferrosos son: a. Acero. b. Hierro fundido. c. Hierro forjado.

Por ser de mayor interés nos referiremos al acero.

El acero es una solución sólida de carbono y hierro, como el hierro a temperatura ambiente no retiene en solución más de 1.7% de carbono en peso, este valor es el máximo del contenido de carbono en el acero, sin embargo los aceros comerciales raramente contienen más de 1.2% de carbono.

Del acero al carbono

De todos los productos de acero, éste es el que se produce en cantidades mayores que cualquier otra aleación ferrosa. Las propiedades del acero al carbono son muy sensibles al contenido de este.

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Aunque se encuentren presentes otros elementos de aleación, no se añaden intencionalmente y no afectan las propiedades de manera tan significativa como el carbono. Los aceros de bajo contenido de carbono tienen hasta un 0.25% aproximadamente, de este elemento, son los más dúctiles y blandos, no responden de manera apreciable al calentamiento y al enfriamiento por inmersión y, por lo común, no se endurecen por medio de esos métodos. Las secciones ligeras, incluyendo las barras y los lingotes, se fortalecen con frecuencia por medio de los trabajos en frío. Las aplicaciones típicas del acero de bajo contenido de carbono son las piezas de la carrocería, el chasis de los automóviles, que requieren gran ductilidad y facilidad para ser soldadas; asimismo, se usa en grandes cantidades para la producción de recipientes de hojalata, para los miembros estructurales, como las vigas en I y para piezas labradas a máquina. Los aceros de contenido medio de carbono, tienen, aproximadamente, de 0.30 a 0.50% de ese elemento. Ese contenido de carbono es suficiente para permitir la formación de martensita dura y, por lo tanto, esas composiciones se calientan y enfrían por inmersión, con mucha frecuencia, para mejorar sus propiedades. Los aceros de este tipo se utilizan para vías y ruedas de ferrocarril, varillas de conexión, cigüeñales y otras aplicaciones similares. Los aceros de alto contenido de carbono tienen de 0.55. a 0.95% de ese elemento. Son los aceros al carbono más duros, fuertes y menos dúctiles, y los que mejor responden al tratamiento térmico. Por esa razón no pueden soldarse con facilidad. Casi siempre se utilizan en la condición de enfriamiento y templado, con el fin de que desarrollen su mejor combinación de dureza, resistencia, tenacidad y ductilidad. Se utilizan para herramientas agrícolas de corte, alambre de alta resistencia a la tensión y resortes.

COMPOSICIONES DEL ACERO

La aleación de hierro - carbono se denomina acero. El contenido de carbono puede variar de 0.02% a 1.7% siendo la gama más común de 0.05% a 1.1 %. Por cada 0.1% de adición de carbono se aumenta la resistencia a la tensión en 1 OOOOpsi y se reduce el % de elongación en un 5% hasta alcanzar un punto límite de 0.84% llamado Punto Eutectoide arriba de este contenido se aumenta la resistencia y dureza pero se acrecienta la fragilidad. Solo los aceros con su contenido de carbono del 0.4% poseen punto de cedencia bien definido.

El acero puede cambiar sus características de resistencia si se somete a cambios rápidos de temperatura. Para entender el efecto de la temperatura sobre las propiedades del acero, es necesario comprender que el hierro sólido está formado por cristales semejantes a los de azúcar o arena pero fuertemente unidos entre si.

Se tienen tres fases individuales en el hierro puro. Se comienza con el hierro a (alfa) a 20°C, calentándolo lentamente, a se transforma en p (gama) a 910°C a 8 (delta) a 1.3 93 °C y se funde finalmente a 1.538 °C. Para las fases a y 8 se tiene la misma estructura cristalina BCC o cúbica de cuerpo centrado. La fase p tiene la estructura cristalina CCC o cúbica de cara centrada, y por lo tanto de empaquetamiento más compacto.

Hay una contracción de alrededor el 1% en volumen en la transformación de a y p una expansión del 0.5% en volumen en el cambio de p —> 8 . A este cambio de forma de los cristales al variar la temperatura se le denomina cambio o transformación alotrópica.

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Cuando el hierro gama contiene carbono en solución se le denomina Austenita. El hierro gama puede disolver hasta 1.7% de carbono. Por otra parte el hierro alfa también puede disolver carbono pero en menor cantidad 0.4%. Cuando el hierro alfa tiene carbono en solución se llama Ferrita.

Aplicando lo anterior, si se tiene un acero que contenga 1% de carbono, y si el conjunto está a una temperatura de por ejemplo 1,200°C, la masa estará en estado sólido en forma de austenita, o sea una solución de hierro gama y carbono. Cuando la temperatura disminuye, la austenita comienza a convertirse en ferrita que no es capaz de disolver todo ese carbono y por lo tanto el exceso de carbono que se va liberando se combina con el hierro formando Cementita. Así se va formando una masa que va a estar constituida por capas de ferrita y cementita, a esta mezcla de ferrita y cementita se le da el nombre de Perlita.

La velocidad de enfriamiento es muy importante en esa transformación y si la velocidad es muy lenta, las capas formadas son anchas, y cuanto más rápida es la velocidad de enfriamiento más finas son las capas, y sin cambiar el contenido de carbono entre más finas sean las capas más resistente es el acero. Sin embargo cuando la velocidad de enfriamiento es muy rápida no hay tiempo para que se forme la perlita y en ese caso se forma un cristal parecido a la ferrita pero con más carbono al que normalmente puede aceptar y con características muy diferentes a las de la ferrita. A ese cristal se le llama Martensita, que es muy duro, tiene alta resistencia pero es sumamente frágil y de muy poca ductilidad.

Esta propiedad alotrópica del acero o sea el poder pasar de una estructura a otra con el cambio de temperatura es muy importante y es aprovechada industrialmente para obtener aceros con diferentes propiedades de resistencia y ductilidad. Esto se logra obligando al acero a hacer la transformación más o menos rápida. Esos cambios de temperatura a que se somete el acero para ganar sus propiedades se denominan Tratamientos Térmicos. Entre mayor es el contenido de carbono mejor será el efecto obtenido con el tratamiento térmico.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES FERROSOS

Elasticidad

Es la propiedad de recuperar su estado primitivo al cesar la fuerza que lo deforma. Pero existe una fuerza, límite por encima de la cual no recupera su forma comenzando el período de deformación permanente.

Ductilidad

Es la capacidad de alargarse en sentido longitudinal, convirtiéndose en alambres o hilos, es decir puede alterarse mecánicamente entre límites muy amplios sin romperse.

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Forjabilidad

Es la propiedad de variar de forma en estado sólido caliente mediante acciones mecánicas sin pérdida de cohesión.

Resistencia a la tensión

Es la resistencia a la rotura por tracción que tienen los cuerpos debido a la cohesión de sus moléculas, esta propiedad aumenta con tratamientos térmicos adecuados.

Soldabilidad

Consiste en unir los metales por presión basta formar un trozo único realizándose a altas temperaturas por medio del martillo, soplete, etc.

Facilidad de corte

Es la propiedad de separarse el metal en pedazos por medio de una herramienta adecuada. En la práctica se realiza por medio de sierra y soplete.

FABRICACIÓN DEL ACERO

Para producir el acero que se consume en el país existen dos procesos:

a. INTEGRADO: Que es el proceso utilizado por Acerías Paz del Río.

b. SEMI INTEGRADO: Que es el empleado por la mayoría de siderúrgicas del país como ACASA, Sidelpa, Simesa, Heliacero, Sidenorte, etc.

- Proceso integrado

En este proceso, el mineral de hierro junto con la caliza que se utiliza como agente de flujo y el coque que se utiliza como reductor y combustible, se prende en un alto horno para obtener el Arrabio (hierro de primera fundición), este se refina en acería, donde se vierte en tres hornos convertidores para el afinado del arrabio sulfuroso con un sistema de soplado enriquecido con oxígeno, allí se eliminan las sustancias perjudiciales, o las que se encuentran en exceso, además se adicionan las ferro aleaciones necesarias para obtener el acero final requerido.

Luego el acero en estado líquido se vierte en moldes para obtener el lingote de acero. Después de tener el lingote se somete éste a la etapa de laminación, una vez calentados los lingotes se desbastan.

Los lingotes de sección cuadrada o rectangular para producir los tochos destinados a la fabricación del acero no plano y los planchones para la producción de acero plano. Los tochos se transforman en

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perfiles estructurales medianos para la venta, o en palanquillas que se laminan para obtener redondos estructurales, barras lisas, varillas corrugadas y alambrón.

- Proceso semi-integrado

En este proceso a diferencia del anterior el mineral de hierro se obtiene de fundir la chatarra en hornos eléctricos de arco, y luego por el sistema de vaciado, moldeo y desmoldeo se obtienen los lingotes de acero.

La principal materia prima en el proceso semi integrado para producir acero es la chatarra. La chatarra se clasifica, la más pequeña se carga directamente en el horno y la más grande se corta en trozos, en la mezcla algunas veces se agregan pequeñas cantidades de arrabio.

A la mezcla se adicionan en la medida en que requieran ferro aleaciones tales como: Ferromanganeso, ferrosilicio, ferrocromo, ferromolibdeno y ferrosílico - manganeso.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS AL ACERO

Como ya se dijo, son variaciones de temperatura a las que se somete el acero con el objeto de cambiar algunas de sus propiedades.

Algunos de los tratamientos térmicos más usados son los siguientes:

- Temple

Con este tratamiento se aumenta la resistencia y dureza del acero. En términos generales se calienta el acero un poco por arriba de la temperatura en que se comienza a formar la austenita y se enfría rápidamente (en agua o aceite).

- Normalizado

Sirve para reparar tratamientos térmicos defectuosos y otros defectos. En este tratamiento se calienta el acero también un poco por arriba de la temperatura en que se forma la austenita y se entna a la temperatura ambiente.

- Recocido

Sirve para ablandar el acero. Hay diferentes clases de recocidos y en general consiste en calentar el acero a temperaturas cercanas a la temperatura en que se forma la austenita seguida por un enfriamiento lento.

209

- Cristalización

Cuando el acero está en estado líquido los átomos de hierro no tienen ningún orden y se están moviendo continuamente de un lado a otro. Cuando la temperatura baja a la temperatura de solidificación es difícil que se formen los primeros cristales sólidos, pero si el metal líquido está en contacto con acero sólido los átomos comienzan a ordenarsen en cristales sobre los cristales de metal sólido que por ese motivo se llaman Núcleos; a medida que se van apilando los cristales sobre el núcleo éste va creciendo y ellos se van formando, siguiendo siempre la misma dirección en que estaba orientado el núcleo o semilla. A cada conjunto de cristales que se ordenan en cada dirección específica se le llama Grano.

Cuando se permite mucho tiempo al acero en la temperatura de cristalización, los granos crecen y se dice que el acero es de grano grueso. Si no se permite al acero permanecer mucho tiempo, el tamaño del grano es fino. Por medio del tratamiento térmico o agregando ciertos elementos de aleación, es posible lograr aceros de grano fino. Los aceros de grano fino tienen en general mejores propiedades que los de grano grueso.

Cuando un acero se calienta a la temperatura de forja (1.100 grados centígrados) y luego es trabajado (laminado), mientras se enfría hasta que la austenita comienza a transformarse, el grano se afina y el proceso se llama Trabajado en caliente.

»

Cuando el acero se trabaja (laminado, trefilado, o martillado) en frío, se dice que es un acero trabajado en frío. Los granos son más finos, sin embargo el acero tiende a ser más duro y más frágil.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

La industria y las sociedades de Normas técnicas han clasificado los aceros comunes, basados principalmente en el contenido de carbono. Otros lo hacen basándose en la resistencia o en el tratamiento térmico.

Uno de los sistemas más sencillos consiste en el adoptado por Aceros SAE (Society of Auto Motive Engineers); y el AISI (American From Steel Institute) que consiste en cuatro dígitos.

Los dos primeros dígitos indican el contenido de aleante (10 para los aceros al carbono) y los dos últimos dígitos dan el contenido de carbono, así un acero 1040 es un acero al carbono con un 0.40% de carbono.

Otra clasificación muy usada es la empleada por el ASTM (American Society of Mecanical Engineers) que usa la misma designación numérica.

Teniendo en cuenta que el carbono es el material que más afecta las propiedades del acero se ha hecho la siguiente clasificación del acero:

-Acero de bajo contenido de carbono: Los que contienen hasta 0.15% de carbono.

210

-Aceros dulces: Los que contienen entre 0. 15 y 0.29% de carbono.

-Acero de medio contenido de carbono: Los que contienen entre 0.30 y 0.59% de carbono.

-Aceros de alto contenido de carbono: Los que tienen entre 0.6 y 1.7% de carbono.

-Cuando el contenido de carbono pasa del 1.7% se dice que es un hierro de fundición.

Aceros aleados

Una aleación es el producto de una asociación o mezcla de dos o más metales. Generalmente para producir una aleación se mezclan los metales en estado líquido o fundido y luego el conjunto se deja solidificar.

Una pequeña cantidad de elementos de aleación, pueden causar grandes variaciones en las propiedades del acero.

Los principales elementos o materiales de aleación que se usan en la industria del acero son: Manganeso, níquel, cromo, molibdeno, vanadio y silicio. Cualquiera de los anteriores elementos de aleación pueden producir características especiales en el acero, usándolos en cantidades de hasta el 5 o 6% se llaman aceros de baja aleación, en cantidades mayores se llaman aceros altamente aleados; también se puede usar en el mismo acero dos o tres elementos de aleación al mismo tiempo. Los aceros estructurales son de baja aleación, como materiales para su aleación se usan el cromo, níquel y molibdeno tienen menos de 0.13% de carbono.

Los principales motivos por los cuales se usan elementos de aleación son los siguientes:

- En los aceros al carbono, la ductilidad del acero disminuye rápidamente cuando aumenta el contenido de carbono.

- Los tratamientos térmicos son más efectivos en los aceros aleados que en los aceros al carbono. Los tratamientos térmicos en los aceros al carbono son óptimos sólo en espesores pequeños.

- Las propiedades físicas de los aceros al carbono, se disminuyen marcadamente con el aumento de temperatura.

- Los aceros al carbono son muy susceptibles al ataque químico del medio ambiente especialmente a temperaturas elevadas.

Los aceros que llevan elementos de aleación son muy utilizados porque al ser más resistentes se requiere menor volumen de material y por lo tanto la estructura es más liviana. Pueden ser usados en aplicaciones en que los aceros al carbono no ofrecen buena seguridad y son más durables en situaciones específicas.

211

Los elementos de aleación tienen la propiedad de disminuir o aumentar la temperatura a la que se forma la austenita.

A los aceros altamente aleados que tienen la propiedad de permanecer con su estructura cristalina austenítica a la temperatura ambiente se les denomina aceros austeníticos y ellos no tienen la propiedad alotrópica o sea que se pueden calentar hasta que se licúen o fundan sin que cambie su estructura cristalina austenítica.

Los aceros en que los cristales de ferrita permanecen sin transformarse hasta la temperatura de fusión son denominados Aceros Ferríticos.

En el grupo de aceros altamente aleados se encuentran los aceros resistentes a la oxidación, al calor y a la corrosión. El nombre con el que más se le conoce es el de Aceros Inoxidables, estos son de alta aleación y el elemento que les proporciona su resistencia a la corrosión es el cromo. Si contiene sólo cromo y cantidades insuficientes de carbono, se denominan aceros inoxidables ferréticos. Se usan cuando la facilidad de conformación y la resistencia a la corrosión son importantes, como por ejemplo, en las guarniciones de los automóviles. Al aumentar el contenido de carbono, con relación al de cromo se produce un acero inoxidable martensítico, que se endurece en el aire. Estas composiciones se emplean para cuchillería e instrumental quirúrgico, cuyos requisitos principales son la resistencia al desgaste y a la corrosión. Algunos de los aceros martensíticos pueden tolerar una pequeña cantidad de níquel; pero si se incrementa este contenido, la estructura del acero se hace permanentemente austenítica. Los aceros austeníticos no pueden endurecerse mediante el enfriamiento por inmersión, debido a que el contenido de níquel impide la transformación de la austenita en martensita. Los aceros austeníticos son los más resistentes a la corrosión y al calor, debido, principalmente, a su elevado contenido de cromo, aun cuando el níquel contribuye también a sus propiedades. El acero inoxidable de este tipo es el que se produce en mayores cantidades, y se utiliza para depósitos de tintes, equipo de elaboración de alimentos, turbinas y aplicaciones similares. Si han de soldarse los aceros inoxidables austeníticos, es preciso utilizar procedimientos especiales, a menos que se escojan composiciones especialmente adecuadas para la fabricación por soldadura. Si no se toman esas precauciones se producirá una pérdida de resistencia a la corrosión. El efecto que tiene el manganeso en los aceros inoxidables austeníticos es similar al del níquel. Existen aceros inoxidables austeníticos con manganeso, en los que parte del níquel que contienen ha sido reemplazado por manganeso. Por otra parte, hay aceros inoxidables de composiciones complejas que pueden endurecerse por precipitación, por medio de métodos especiales de tratamiento, y se conocen como aceros inoxidables endurecibles por precipitación.

El cromo es el principal elemento de aleación y es el que le da al acero sus características de inoxidable o capacidad para resistir la corrosión y oxidación.

Los aceros austeníticos no son magnéticos, son resistentes a la oxidación, al ataque químico, son resistentes y dúctiles a temperaturas muy bajas y resistentes a temperaturas elevadas.

Los aceros altamente aleados o inoxidables son designados por la SAE con cinco dígitos. Los dos últimos indican el contenido de carbono y los tres primeros la clase y contenido de elementos de aleación.

212

Como se ve hay gran variedad de acero para fabricar y construir las más diversas clases de maquinaria y estructura.

Soldadura

En forma técnica puede definirse como la unión de dos o más materiales entre sí en tal forma que quedan como una sola pieza, esto se hace a una temperatura adecuada, con o sin aplicación de presión y con o sin el uso de material de aportación.

El cuadro sinóptico nos explica las clases de energía que se usan para producir el calentamiento del material a soldar.

CLASES DE FUENTES DE ENERGÍA PARA LOGRAR EL CALENTAMIENTO DE LAS PIEZAS A SOLDAR

FUENTE DE

ENERGÍA ELECTRICA

ARCO: Una descarga eléctrica relativamente grande ocurrida a través de una columna gaseosa térmicamente ionizada llamada plasma. La temperatura el arco eléctrico varia entre 5000 y3000°C y se constituye en el sistema de obtención del calor.

RESISTENCIA: La resistencia de los materiales al flujo de Eléctrica genera calor.

RADIACION POR ARCO: El calor originado por un arco eléctrico, se transfiere por radiación al trabajo.

FLUJO CONDUCTOR: La resistencia, al paso de corriente eléctrica, de una escoria fundida depositada sobre un metal, calor suficiente para fundirlo.

INDUCCIÓN: Excitando una bobina con corriente alterna o alta frecuencia e introduciendo en esta un metal conductor de electricidad, se inducen en el metal corrientes eléctricas que originan, debido a la resistencia del metal, el calentamiento del mismo.

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OXIACETILEMCA: La combustión de acetileno (C,H,) en una atmósfera de oxígeno (02) produce una llama que alcanza una temperatura de 3.500°C.

FUENTE DE

ENERGÍA

QUIMICA

OPTICA

MECANICA

TERMITA: Una mezcla de aluminio en polvo con óxido de hierro, al encenderse , reacciona l iberando calor produciéndose hierro puro que fluye con una temperatura de2.750°C.

DISOCIACIÓN DE HIDRÓGENO: Las moléculas de hidrógeno están formados por átomos de hidrógeno, estos átomos se separan absorbiendo calor, al quedar en contacto con el metal frío los átomos se unen nuevamente liberando sobre el trabajo el calor absorbido.

LASER: La generación del calor se logra por la energía de un rayo de luz concentrado, al ser enfocado sobre el trabajo.

RAYO DE ELECTRONES: El calor se obtiene, por la energía suministrada al trabajo, al ser bombardeado con un rayo dirigido de electrones.

FRICCIÓN: El calor se obtiene por la fricción generada entre un elemento en rotación y uno estacionario sujetos a una fuerza de contacto.

ULTRASÓNICA: Similar a la anterior, el calor se obtiene por fricción entre dos elementos en contacto uno de los cuales está vibrando a alta frecuencia.

Tomado de: Manual de Soldadura. Instituto de Soldadura. West Arco. 1980.

Diferentes procesos p a r a so ldar

Por forja o martilleo

Cuando las piezas a soldar se calientan para después golpearlas, mediante martilleo manual o mecánico y así hacer la unión.

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Soldadura Oxiacetilénica

El acetileno en contacto con el oxígeno proporciona la llama de mayor temperatura, la temperatura máxima es de 3.500°C. La mayoría de las soldaduras efectuadas con el proceso de oxiacetilénico se obtiene fundiendo los materiales en el punto de unión y utilizando algún material aportante para llenar la separación.

Soldadura de punto

Se obtienen dos electrodos de área reducida y se obtienen sueldas redondas, la desventaja de esta soldadura es la corta duración del electrodo (generalmente una soldadura).

Soldadura por arco eléctrico

La unión es producida por el calentamiento generado con un arco eléctrico. Existen varios tipos de soldadura con arco eléctrico:

- Soldadura con electrodo al carbón - Soldadura con electrodo de tungsteno protegido con gas inerte (TIG) - Soldadura con electrodo metálico revestido con gas (MIG) - Soldadura por arco sumergido - Soldadura por arco eléctrico con electrodo manual revestimiento

Posiciones de los elementos a soldar

Hay cinco maneras fundamentales de lograr una unión entre dos piezas; al tope, al traslapo, en ángulo, en T, por el borde y se diferencian entre sí por la forma como se coloca una en relación con otra. La principal condición que se tiene en cuenta para seleccionar la formación de la unión, lo da el diseño de la estructura que se quiere soldar.

Angulo

Traslapo

en T Por el borde

FIGURA No.26 POSICIONES DE LOS ELEMENTOS A SOLDAR

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Juntas en las piezas a unir

El punto donde se ha de lograr la unión entre dos elementos se denomina Junta y cuando esto ha ocurrido, aquel punto se llama ensamble o punta soldada.

Hay tres tipos de juntas o ensambles:

a. Con bisel o chaflán. Se hace en bisel o chaflán en la cual se deposita la soldadura para formar el ensamble, este puede ser en U o en V.

b. Con filete

c. Combinado

Si el material aportante en la soldadura se funde a una temperatura baja, tal es el caso del plomo y el estaño que funden entre 200 y 250 grados centígrados la soldadura se denomina Blanda, si el material aportante funde a temperaturas altas la soldadura se denomina fuerte.

Ensamble soldado por ambos lados

Junta con bisel en V doble

Junta con chaflán en V doble

Junta con bisel en J doble

FIGURA No.27 DIFERENTES TIPOS DE JUNTAS Y ENSAMBLES

216

BIBLIOGRAFÍA

ACESCO. Manual de diseño de perfiles estructurales en acero de lámina delgada, tercera edición. Barranquilla. 2000.

CARL A. KEYSER. Ciencia de materiales para Ingeniería. Centro Regional de Ayuda Técnica. México 1972.

FLINN, Richard A. y TROJAN, Paul K. Ingeniería y sus aplicaciones. McGrawHill. Tercera edición. México 1991

HARMER E. Davis. y otros. Ensaye e inspección de los materiales en Ingenieria. Edit. Continetal S.A. Tercera impresión en español. México 1970.

Manual de Soldadura. Instituto de Soldadura. West Arco. 1980.

SINGER, Ferdinan L. y PYTEL, Andrew. Resistencia de materiales. HARLA. Tercera edición México. 1982.

217

CAPÍTULO 8

AAATERIALES POLIMÉRICOS

La palabra polímero literalmente significa "muchas piezas". Puede considerarse que un material sólido polimèrico está formado por muchas partes químicamente enlazadas como unidades enlazadas entre sí para formar un sólido. En este capítulo se estudian algunos aspectos de la estructura, propiedades, procesado y aplicaciones de dos materiales poliméricos importantes para la construcción: plásticos y elastómeros. Los plásticos son un gran y variado grupo de materiales sintéticos que se procesan mediante el moldeado de la forma. Al igual que tenemos muchos tipos de metales, como el aluminio y cobre, tenemos muchos tipos de plásticos, como el polietileno y el nylon. Los plásticos pueden dividirse en dos clases, termoplásticos y termoestables, dependiendo de la estructura química de su enlace. Los elastómeros o cauchos pueden deformarse grandemente de forma elástica cuando se les aplica una fuerza y pueden volver a su forma original (o casi) cuando se elimina la fuerza.

Termoplásticos

Los termoplásticos necesitan calor para hacerlos deformables y después de enfriarse mantienen la forma a la que fueron moldeados. Estos materiales pueden calentarse y volver a moldearlos un buen número de veces sin cambio significativo de sus propiedades. La mayoría de los termoplásticos consisten en cadenas principales muy largas de átomos de carbono enlazados entre sí. Algunas veces también se encuentran enlazados en la cadena principal de forma covalente átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre. Puede suceder que átomos o grupos de átomos se enlacen de forma covalente a la cadena principal de átomos. En los termoplásticos las largas cadenas moleculares se enlazan entre sí mediante enlaces secundarios.

Termoestables

Los plásticos termoestables que adquieren una forma permanente y son curados mediante una reacción química, no pueden ser refundidos y remoldeados en otra forma, sino que se degradan o descomponen al ser calentados a temperaturas demasiado altas. Por ello, los plásticos termoestables no pueden reciclarse. El término termoestable implica que el calor (en griego calor es therme) es necesario para que el plástico mantenga permanentemente la forma. Hay, sin embargo, muchos plásticos termoestables que fraguan o curan a temperatura ambiente, solamente con una reacción química. La mayoría de los plásticos termoestables consisten en una red covalente de átomos de carbono enlazados entre sí para formar un sólido rígido. Algunas veces el nitrógeno, oxígeno y azufre se enlazan de forma covalente en la red de la estructura reticular del plástico termoestable.

219

Los plásticos son materiales importantes para la ingeniería por muchas razones. Presentan gran variedad de propiedades, algunas de las cuales son inalcanzables por otros materiales, y en la mayoría de los casos son relativamente de bajo precio. El uso de los plásticos para diseños en ingeniería mecánica ofrece muchas ventajas incluyendo la posibilidad de eliminación de piezas mediante el diseño con plásticos, eliminación de muchas operaciones de acabado, simplificación del montaje, eliminación de peso, reducción de ruido y, en algunos casos, la eliminación de la necesidad de lubricación. Los plásticos son también muy útiles para muchos diseños de ingeniería eléctrica principalmente por sus excelentes propiedades aislantes.

En ingeniería civil se usan principalmente en tuberías, geotextiles, pinturas, cubiertas, pisos, como aislantes en paneles, etc.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS

Según su origen

• Naturales: caucho, celulosa, seda, lana

• Derivados: Nitrato de celulosa, Acetato de Celulosa, Caucho vulcanizado.

• Sintéticos: Nylon, Dacron, Polivinil cloruro.

• Proteínicos: Proteínas, ADN.

Según la estructura

Polímeros de cadena lineal:

Las unidades monoméricas se unen mediante enlaces covalentes, sin embargo, moléculas diferentes del material se mantienen juntas mediante fuerzas secundarias más débiles. El polímero puede formarse por crecimiento de uno de sus extremos de la cadena. Éstos sólo tienen dos puntos de reacción o grupos funcionales; este tipo de polímeros es fusible y soluble en solventes adecuados.

Polímeros de cadena ramificada:

Aquí se emplean unidades de funcionalidad superior a dos y se unen a otras unidades formando la molécula ramificada. Éstos presentan gran dureza y aspecto amorfo; son insolubles y si se calientan se descomponen químicamente.

Polímeros de cadena reticular:

Tienen sus cadenas unidas en forma de malla.

220

Según respuesta al calentamiento

Termoplásticos

Se ablandan con el calor y pueden ser soldados; son solubles en determinados solventes; se forman por cadenas de moléculas largas generalmente no ramificadas. Su uso general se encuentra en la elaboración de plásticos, fibras, elastómeros, recubrimientos y adhesivos.

Termoestables (termofijos o termofraguables):

Se descomponen con el calor; no se funden ni se solubilizan; forman estructuras tridimensionales con entrecruzamiento y sus aplicaciones se encuentran en todos los campos excepto en la formación de fibras.

PROPIEDADES FÍSICAS

- Cristalinidad: Varía de 0 a 100. Existen tres grados de cristalinidad: No cristalino (poliestireno), parcialmente cristalino y totalmente cristalino (polietileno de alta densidad HDP).

- Cohesión molecular: Es la fuerza promedio entre las unidades repetidas de una cadena de polímeros y sus vecinas. Su magnitud se calcula a partir de la densidad de energía cohesiva, los enlaces de hidrógeno son los que más contribuyen a la cohesión molecular y se presentan en polímeros tales como el nylon, la celulosa y las proteínas.

-Peso: El peso de los polímeros es función directa del grado de polimerización, es decir, que para un mismo monómero se obtienen polímeros de diferente peso según se hallan polimerizado en menor o mayor grado.

PROPIEDADES MECÁNICAS

- Elongación: Es una medida de la deformación que se desarrolla continuamente sobre un material mediante alargamiento a velocidad constante. La resistencia de un material polimèrico a la ruptura se determina mediante un ensayo de tracción sobre una muestra de tamaño estándar. La curva mostrada en la Figura N°28 tiene, en general, variaciones de forma, pero responde al comportamiento general, según sean las características específicas del polímero.

-Tensión: Definida como la capacidad del polímero para resistir una fuerza de tracción sin romperse.

-Resistencia a la fatiga: Propiedad que determina la capacidad del polímero para soportar cargas en forma repetida hasta el momento de la falla.

221

-Resistencia al impacto: Propiedad que determina si un material polimèrico es dúctil o frágil.

-Resistencia al rasgado: Propiedad que se mide, especialmente, cuando se van a utilizar los polímeros en forma de película.

-Resistencia a la abrasión: Es una relación directa de la resistencia de los polímeros al rayado o acción de desgaste por fricción o erosión.

-Dureza: Es una propiedad compuesta que combina los conceptos de resistencia a la penetración, rayado, daño superficial.

FIGURA No.28. CURVA GENERAL DE TENSIÓN - DEFORMACIÓN PARA PLÁSTICOS

PROPIEDADES ÓPTICAS

- Color: Es la sensación subjetiva en el cerebro que resulta de la percepción de aquellos aspectos de la apariencia de los objetos resultante de la descomposición espectral de la luz que alcanza al ojo.

- Brillo: Es la reflectancia geométricamente selectiva de una superficie causante de su aspecto brillante o lustroso. Depende de la conformación cristalina del polímero.

- Reflectancia: Es la relación de las intensidades entre la luz reflejada y la incidente (Opacidad).

- Transmitancia: Consiste en la relación entre la intensidad de la luz que atraviesa un material y la luz que incide sobre el mismo (transparencia).

222

- Opalescencia: Es el porcentaje de la luz transmitida que al atravesar la muestra se desvía del haz incidente por una dispersión hacia delante.

- Transparencia: Se define como el estado que permite la percepción de los objetos a través o más allá de la muestra. Es función directa de la homogeneidad de los cristales que forman el polímero.

- Translucidez: Propiedad de un cuerpo de transmitir una parte y de reflejar otra, de la luz incidente sobre él.

- Dispersión: Resultado de la presencia de irregularidades e impurezas en la estructura cristalina del polímero.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

- Constante dieléctrica (Capacidad Aislante): Es la relación de las capacidades de un condensador de placas paralelas medida con y sin material dieléctrico entre sus placas. En los polímeros, generalmente es muy alta.

- Resistividad: Es la resistencia que la mayoría de los polímeros presenta al flujo de la corriente continua. Normalmente es muy alta.

- Rigidez dieléctrica: Propiedad de los polímeros por medio de la cual se mide la capacidad de la sustancia de soportar aplicaciones repetidas de corriente hasta alcanzar la falla del material.

- Resistencia al arco: Estado en el cual la superficie de un polímero se carboniza y puede conducir la corriente con facilidad.

PROPIEDADES QUÍMICAS

-Resistencia a la solvencia: Se incrementa rápidamente con el aumento del peso molecular, las porciones insolubles tienden a presentar el fenómeno conocido como "ojo de pescado (se forman burbujas donde el material pierde la resistencia)" en películas y fibras.

-Permeabilidad al vapor: Es producto de la solubilidad de los gases o vapores en el polímero y de su coeficiente de difusión. Se mide como la velocidad de transferencia del vapor a través de un espesor unidad del polímero en forma de película, por unidad de área y diferencia de presión a través de la película.

-Degradación a la intemperie: Es el comportamiento de los materiales en exposiciones prolongadas a la intemperie.

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PROPIEDADES TÉRMICAS

- Temperatura: La temperatura de los polímeros es de tres clases:

Transición vitrea (TG): temperatura a la que un polímero fundido, sometido a enfriamiento se convierte en un sólido vidrioso.

Transición cristalina (TM): Es la temperatura a la que un polímero fundido pasa a un estado de líquido viscoso o sólido microcristalino.

Reblandecimiento: Es la temperatura a la que el polímero alcanza un grado de ablandamiento específico.

- Inflamabilidad: La inflamabilidad de los plásticos se define como la velocidad de combustión de una muestra específica.

APLICACIÓN DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS

Ya que los materiales poliméricos son la materia prima de las tuberías de PVC y de los geotextiles, se complementa este capítulo hablando de estos dos productos, cuya importancia en la construcción no se discute.

Geotextiles

Son membranas permeables sintéticas resistentes a la tensión y al punzonamiento, que actúan como elementos de refuerzo (estabilización), separación, filtración y drenaje en diferentes tipos de construcciones, desde un simple campo deportivo hasta una superautopista o una represa.

Son fabricados normalmente a partir de polímeros como polipropileno, poliéster, poliamina y polietileno.

Existen dos procesos primarios para la fabricación de geotextiles, uno de éstos produce el geotextil tejido. En él, unas cintas de polipropileno son tejidas en grandes telares produciéndose un textil delgado y rígido en un solo plano o dimensión. Los geotextiles tejidos tienen una amplia posibilidad de aplicaciones en obras de ingeniería, tales como estructuras hidráulicas, construcción de vías y en general en los proyectos geotécnicos.

Otro proceso fabrica el geotextil no tejido, en el que se usan fibras de polipropileno o poliéster las cuales son movidas en un sistema de bandas transportadoras y entre rodillos, mientras unas agujas con barbas, entran de arriba a abajo de las fibras, entrelazando las hebras para formar el geotextil. A éste se le conoce como geotextil no tejido, punzonado por agujas, el cual igualmente tiene grandes aplicaciones en la ingeniería, destacándose las obras de repavimentación.

224

Uno de los problemas de humedad en las vías se origina por el agua lluvia que entra a través de la superficie de la vía, llegando hasta la base de la misma, y si a esto se le suma la carga de un vehículo pesado, entonces es cuando el pavimento tiende a fallar, debilitándose y deteriorándose.

El concepto es ligar el asfalto nuevo al viejo mediante un sistema de membrana. Este sistema consiste en un geotextil y una liga bituminosa suficiente para saturar el geotextil y penetrar tanto el asfalto nuevo como el viejo, formando un sistema estructural integral flexible, con una membrana impermeable entre las capas.

Los geotextiles han sido usados en sistemas de repavimentación desde años atrás para reducir y retardar agrietamientos y para actuar como una membrana impermeable.

En Colombia, apenas ahora se empieza a utilizar en forma masiva los geotextiles en diferentes obras civiles, y al mismo tiempo se comienza a valorar realmente los beneficios técnicos y económicos que trae su utilización.

Aplicaciones de los geotextiles

Las aplicaciones de los geotextiles en la ingeniería son numerosas y pueden dividirse en dos grupos:

a. Donde la mayor solicitación proviene del agua, tales como:

-Drenaje: En el drenaje de un talud, de una presa de tierra, para asegurar la estabilidad cuando se presente una disminución rápida del nivel del agua, se coloca el geotextil en cintas verticales, ayudando a la consolidación del suelo.

-En canales se puede emplear como manto entre el terreno y el revestimiento de concreto, para controlar el exceso de agua y una eventual percolación en el concreto y como dren vertical para captar el agua colectada a través de un tubo.

-Impermeabilizaciones: Los geotextiles asociados con asfaltos, resinas, elastómeros, etc., constituyen membranas que retienen el agua en lagos, presas, canales, etc.

-Válvulas: Conducen la escorrentía, a presión baja no las atraviesa, pero son atravesadas por el agua intersticial a presión alta.

-Filtros: Los geotextiles colocados entre dos masas de tierra, por donde se infiltra el agua, funcionan como un filtro de transición. Así mismo, colocados transversalmente en un escurrimiento de agua cargada de partículas en suspensión, las retiene.

-En estructuras marinas: Los geotextiles tejidos se emplean como formaleta para vaciar concreto alrededor de columnas de acero, concreto o madera. Esta técnica se emplea en la protección de las zonas vulnerables de las estructuras, pero es más frecuente su aplicación en la reparación de pilotes deteriorados.

225

Se puede emplear en la protección de tuberías dentro del agua; en este caso se aplica el geotextil con inyección de mortero como material de soporte.

b. Donde la mayor solicitación proviene del suelo, por ejemplo

-Separación: Los geotextiles separan el suelo del medio exterior o lo hacen con dos materiales que tiendan a mezclarse por efectos de las cargas: Vías de servicio para ferrocarriles, campos deportivos, etc.

-Refuerzo: Los geotextiles soportan los esfuerzos de tracción que no resiste el suelo, de manera que se pueden emplear en capas múltiples de suelo y geotextil para reforzar un suelo poco resistente.

Tuberías de PVC

El PVC es el policloruro de vinilo que es un plástico sintético, su amplio campo de usos se atribuye a su alta resistencia química y su habilidad para mezclarse con aditivos produciendo un gran número de compuestos con un amplio rango de propiedades físicas y químicas.

Aditivos utilizados para el policloruro de vinilo

El policloruro de vinilo se puede utilizar en muy pocas aplicaciones sin la adición de compuestos al material básico de forma que pueda procesarse y convertirse en un producto acabado. Los aditivos añadidos al PVC incluyen plastificantes, estabilizadores al calor, lubricantes, rellenos y pigmentos.

Los plastificantes dan flexibilidad a los materiales poliméricos. Son usualmente compuestos de peso molecular grande, que se seleccionan para ser completamente miscibles y compatibles con el material básico. Para el PVC se utilizan comúnmente ásteres de ftalato como plastificantes.

Los estabilizadores al calor se añaden al PVC para prevenir la degradación térmica durante el procesado y puede ayudar a aumentar la vida del producto acabado. Los estabilizadores típicos utilizados pueden ser bien orgánicos o inorgánicos, pero se utilizan también compuestos organometálicos, basados en el estaño, plomo, bario, cadmio, calcio y cinc.

Los lubricantes ayudan a la fluidez del fundido de los compuestos de PVC durante el procesado e impiden la adhesión a las superficies metálicas. Se utilizan comúnmente como lubricantes: ceras, ésteres grasos y jabones metálicos.

Los rel lenos como el carbonato cálcico se añaden para abaratar costos de los compuestos de PVC.

Los pigmentos, tanto inorgánicos como orgánicos, son utilizados para dar color, opacidad y resistencia a la intemperie a los compuestos de PVC.

226

Las ventajas del policloruro de vinilo adicionado (PVC) que le permiten ser utilizado con gran eficiencia en la construcción, para el transporte de aguas potables, servidos y lluvias, así como también para ductos eléctricos y telefónicos son:

- Resistencia a la corrosión

- Ausencia de rugosidad, permite pendientes menores.

- Baja densidad

- Resistencia al impacto

- Durabilidad

- Economía

- Fácil Instalación

- Baja conductividad eléctrica

- Baja conductividad térmica, es auto extinguible

BIBLIOGRAFÍA

ANDERSON, J.C. y Otros. Ciencia de los Materiales. Editorial LIMUSA. México 1978.

FLINN, Richard A. y TROJAN, Paul k. Materiales de Ingeniería y sus aplicaciones. Mac Graw -HUI. México 1994.

KEYSER, Cari A. Ciencia de Materiales para Ingeniería. Editorial LIMUSA. México 1972.

Geosistemas Manual de diseño PAVCO S.A.. Departamento de Ingeniería. Segunda edición. Bogotá.

Boletín del ICPC. Revista No.48. Los geotextiles en la Ingeniería. Blanca Helena Zapata M. pp. 38-39 Enero - Marzo de 1990.

Clase Empresarial. Revista No. 32. Geotextiles. ¿Apertura económica con o sin vías? pp. 48-49. Febrero de 1996.

SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. 3a Edición Me Graw - Hill. España 1999.

227

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla N° 1 Clasificación de las rocas ígneas según la profundidad y velocidad de consolidación 10

Tabla N° 2 Propiedades Físico Mecánicas 12

Tabla N° 3 Principales rocas y sus características como materiales de construcción 14

Tabla N° 4 Clasificación según su tamaño 16

Tabla N° 5 Resistencia a la compresión simple y módulo de elasticidad de algunas rocas 24

Tabla N° 6 Resistencia 25

Tabla N° 7 Pavimento Flexible 28

Tabla N° 8 Pavimento Rígido(s) 28

Tabla N° 9 Granulometría para material de sub-base (MOPT C 201-63) 29

Tabla N° 10 Granulometría para material de base (MOPT C 202-63) 29

Tabla N° 11 Granulometrías para afirmados 30

Tabla N° 12 Especificaciones para materiales de carreteras 31

Tabla N° 13 Compuestos del cemento 38

Tabla N° 14 Calor liberado por los compuestos del cemento para diferentes edades 41

Tabla N° 15 Clasificación de los cementos Portland 46

Tabla N° 16 Tolerancias de concentraciones de impurezas en el agua de mezclas 47

Tabla N° 17 Influencia de algunas propiedades de los componentes y de sus proporciones en las características del concreto 60

Tabla N° 18 Gradaciones ideales Fuller de agregados para concretos 62

Tabla N° 19 Asentamientos recomendados para concretos de diferentes grados de manejabilidad 68

Tabla N° 20 Agua en kilogramos por metro cúbico de concreto para los tamaños máximos de agregados indicados 69

Tabla N° 21 Volumen de agregado grueso por volumen unitario de concreto 73

Tabla N° 22 Proporciones entre los pesos, volúmenes absolutos y volúmenes sueltos de los componentes de una mezcla 81

Tabla N° 23 Causas de error en la obtención de resultados de ensayo de probetas moldeadas de hormigón 88

Tabla N° 24 Clasificación de los morteros de pega para manipostería simple según resistencia a la compresión a 28 días y según dosificación 116

Tabla N° 25 Clasificación ASTM C-476 de morteros de pega para manipostería reforzada según

resistencia a la compresión a 28 días y según dosificación (partes por volumen) 117

Tabla N° 26 Morteros de relleno - partes por volumen 117

Tabla N° 27 Usos de los morteros de cemento 118

Tabla N° 28 Fluidez recomendada del mortero para diversos tipos de estructura y condiciones

de colocación 120

Tabla N° 29 Resistencia a la compresión y a la flexión 138

Tabla N° 30 Esfuerzo máximo según tipo de vidrio 142

Tabla N° 31 Aislamientos 142

Tabla N° 32 Expansión térmica 143

Tabla N° 33 Algunas maderas colombianas según su tipo estructural 171

Tabla N" 34 Propiedades físicas de los asfaltos 201

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura N° 1 Ciclo geológico de las rocas 10

Figura N° 2 Serie de Bowen 11

Figura N° 3 Diferentes estados de saturación del agregado 22

Figura Nu 4 Esquematización del peso volumétrico 23

Figura N°5 Ensayo de asentamiento 52

Figura N°6 Toma de cilindros de concreto 54

Figura N°7 Análisis de los resultados de la resistencia del concreto 90

Figura N°8 Variaciones de la resistencia en la relación de la X 91

Figura N°9 Diagrama de acciones derivadas de la aplicación del criterio de aceptación o rechazo 92

230

Figura N° 10 Diagrama del esclerómetro 93

Figura N° 11 Ensayo Pulí out test 96

Figura N°12 Ensayo Break-off 97

Figura N° 13 Ensayo Pulí offtester 97

Figura N° 14 Estructura macroscópica 147

Figura N°15 Distintos planos de la madera 150

Figura N°16 Variaciones de la madera por cambios de humedad 155

Figura N° 17 Variación de las propiedades mecánicas 164

Figura N°18 Formas de falla de probetas en el ensayo de compresión paralela a la fibra 166

Figura N° 19 Formas de falla en el ensayo de flexión 168

Figura N° 20 Destilación del crudo 182

Figura N°21 Viscosímetro de placas 186

Figura N°22 Ensayo punto de ablandamiento 188

Figura N°23 Ensayo de ductilidad 191

Figura N°24 Ensayo de película delgada 192

Figura N°25 Ensayo de la mancha 193

Figura N°26 Posiciones de los elementos a soldar 215

Figura N°27 Diferentes tipos de juntas y ensambles 216

Figura N°28 Curva general de tensión - deformación para plásticos 222

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica N°1 Granulometría de dos agregados 30

Gráfica N°2 Determinación contenido de agua 64

Gráfica N°3 Curva actual de la resistencia a los 28 días Vs. contenido de cemento 65

Gráfica N°4 Determinación del porcentaje óptimo de arena y grava 67

226

Gráfica N°5 Resistencia promedio de diseño (fcr) para diferentes valores de fe y V 70

Gráfica N°6 Curva actual de la relación A/C Vs. resistencia a los 28 días 72

Gráfica N°7 Curva actual de la resistencia a los 7 días proyectada a los 28 días 76

Gráfica N°8 Curva actual de la resistencia a los 14 días proyectada a los 28 días 77

Gráfica N° 9 Esquema de la influencia comparada de un acelerador y un retardador sobre la

evolución de las resistencias 102

Gráfica N°10 Determinación para contenido de cemento mortero seco 124

Gráfica N°11 Determinación para contenido de cemento mortero húmedo 125

Gráfica N°12 Determinación para contenido de cemento 126

Gráfica N°13 Determinación para contenido de cemento 127

Gráfica N°14 Determinación relación agua-cemento 128

Gráfica N°15 Cambios dimensionales de la madera 154

Gráfica N° 16 Resistencia de la madera frente a diferentes situaciones de esfuerzo 167

232