mezclas concreto salazar (1)

SINTESIS DE LA TECNOLOGIA DEL CONCRETO

2º Edición

Por: Ing. Alejandro Salazar J.

Profesor Titular Universidad del Valle

OCTUBRE DEL 2000

Síntesis de la Tecnología del Concreto

RESUMEN

El tema propuesto abarca un extenso panorama de los conocimientos científico - tecnológicos de los materiales, imposibles de ser tratados en toda su extensión en este curso. Es pretensión de este escrito, después de las presentaciones anteriores sobre concretos, agregados y aguas para concretos, hacer los planteamientos básicos acerca de las propiedades del concreto fresco y endurecido, tomando en consideración a los materiales que integran a este heterogéneo material en cuanto a su constitución y homogéneo material, en cuanto a su comportamiento, para conseguir un material de construcción óptimo en calidad y economía.

Se presentarán en las discusiones sobre proporcionamiento de mezclas, los últimos resultados obtenidos de las investigaciones que sobre este aspecto se han realizado con los materiales regionales, buscando así dar una mayor orientación del personal que labora en este campo en nuestro medio. Es importante que se adquiera verdadera conciencia acerca de la producción de un material que satisfaga la calidad solicitada dentro de variaciones aceptables y controladas, a fin de garantizar los menores costos y la mayor durabilidad tal, que los diseños planteados por el proyectista, sean verdaderamente reproducidos.

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CAPITULO 1: NATURALEZA DEL CONCRETO

Por miles de años el hombre ha explorado la versatilidad de materiales que pueden ser moldeados en un estado plástico y entonces endurecer produciendo productos fuertes y durables.

El concreto se ha definido (ASTM C-125), como un material compuesto que consta esencialmente de un medio pegante dentro del cual se embeben partículas o fragmentos de agregados. Los concretos de cemento hidráulico, el pegante esta formado por una mezcla de cemento hidráulico y agua. Los concretos de cemento hidráulico son los mas empleados en el mundo

El cemento hidráulico esta definido por la norma ASTM C-219, como un cemento que fragua y endurece por interacción química con el agua y que es capaz de hacerlo bajo agua. El cemento portland es el cemento hidráulico más importante. Se obtiene por la pulverización del clinker de cemento portland, que contiene esencialmente silicatos de calcio hidráulicos, generalmente mediante una molienda íntima con pequeñas cantidades de sulfato de calcio dihidratado (yeso) el cual se emplea para controlar las velocidades de reacción.

Los agregados están definidos por la norma ASTM C-125, como materiales granulados tales como: arena, grava, piedra triturada o escoria de altos hornos siderúrgicos, que usados con un medio cementante para formar concretos o morteros de cemento hidráulico.

Los concretos de cementos hidráulicos poseen una fracción de agregados que esta en un rango de 70 a 80% del volumen total de la masa de concreto. El resto del volumen esta ocupado por una matriz de pasta fresca de cemento consistente de agua, cemento y adiciones e incluye poros de aire. A la vez que los agregados ocupan la mayoría del volumen, ellos deben ser relativamente inertes procurando ser muy estables. Es la matriz de pasta de cemento la que sufre una inusual transformación desde una pasta fluida a una roca dura y sólida, siendo lo que transforma al concreto plástico en un material monolítico artificial y además, define muchas de las propiedades importantes del concreto endurecido.

El concreto puede ser diseñado óptimamente para alcanzar las propiedades exigidas por una amplia gama de aplicaciones, todo a un bajo costo durante su ciclo de vida. Si no se diseña o se produce apropiadamente, o si es expuesto a condiciones de servicio desconocidas o no previstas, pueden resultar fallas prematuras.

1.1 HISTÓRICAMENTE

Los egipcios emplearon el yeso calcinado para construir, los griegos y los romanos un cemento de caliza calcinada. El concreto romano se fabricó con ladrillos triturados aglomerados por un mortero de cal - puzolana. El endurecimiento se producía por una muy lenta reacción química entre estos componentes en presencia de agua. A veces se incorporaban barras de hierro, como se hizo en los techos de

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los baños de Caracalla en Roma. Con la caída del Imperio Romano el concreto cayó en desuso. La historia se podría resumir así:

1790 John Smeaton, en Inglaterra, descubrió que calcinando cal con una cantidad definida de arcilla, se producía un cemento que fraguaba bajo agua. Este cemento se parecía al de los romanos.

1816 Primer puente de concreto (no reforzado) en Souillac.

1824 Aspdin produce el primer cemento portland en Inglaterra.

1840 Arranca la primera planta de cemento portland en Francia, 1855 en Alemania, 1871 en USA, 1903 en Colombia (cementos Samper)

1854 Concreto reforzado, por Wilkinson.

1917 Introducción de la vibración mecánica por Fregssinet.

1997 Hoy en día se producen más de 550 millones de toneladas de cemento portland/año en el mundo.

1.2 DEFINICIÓN DEL CONCRETO

Roca artificial compuesta, que resulta de la mezcla íntima de un conglomerante formado por cemento más agua y en el cual se incrustan partículas o fragmentos de agregados. En el concreto de cemento portland, el aglomerante es una mezcla de cemento portland y agua. En algunas ocasiones, se utilizan productos modificadores de las propiedades del concreto fresco y/o endurecido, a los que se les denomina aditivos.

Ordinariamente la pasta de cemento constituye entre el 25 y el 40% del volumen total del concreto. El volumen absoluto del cemento esta entre el 7 y el 15%. (ver figura Nº 1)

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Cemento AguaAire

Agregado fino Agregado grueso

Cemento AguaAire


Cemento

AguaAire


Cemento

AguaAire

Agregadofino Agregado grueso

15% 21% 3% 30% 31%

Mezcla rica, sin aire,con agregados pequeños

Mezcla rica, con aire,con agregados pequeños

Mezcla pobre, sin aire,con agregados pequeños

Mezcla pobre, con aire,con agregados pequeños

15% 18% 8% 28% 31%

7% 16% 1/2% 251/2% 51%

7% 14% 4% 24% 51%

FIGURA Nº 1: CUADRO DE MEZCLAS TÍPICAS DE CONCRETO (% VOLUMEN)

1.3 CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO SIMPLE

Se pueden resumir en:

• Tomar las formas que se plantean en el diseño del proyecto.

• Dejarse colocar en obra como una masa mas o menos plástica.

• Resistir esfuerzos a compresión no de tracción.

• Poseer una buena durabilidad ante los ambientes en que deba trabajar.

Con base en lo anterior, se reconocen dos estados en el concreto simple:

• EL ESTADO FRESCO

• EL ESTADO ENDURECIDO

Ambos estados poseen propiedades definidas que dependen, entre otras: de las características de las materias primas que lo integran, de las proporciones en que

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participan estas en la mezcla, de la forma como se realiza el proceso de mezclado, del cuidado en el transporte, del proceso de colocación y consolidación y del curado en las primeras edades. La calidad de un buen concreto está incidida por múltiples factores y/o variables interrelacionadas entre si, de tal manera que optimizar una o dos y descuidar las otras, trae como consecuencia una amplia variación en la calidad de la masa fresca o endurecida y por ende del comportamiento mecánico de la estructura en construcción.

Reológicamente el concreto es un pseudo - sólido. La reología es la rama de la mecánica que estudia las leyes de las deformaciones producidas por causas tensionales a lo largo del tiempo. Para ella, la diferencia entre un liquido y un sólido se encuentra en la velocidad con que se produce la deformación ante un agente exterior. Las deformaciones del concreto pueden deberse a:

• Fuerzas externas, deformaciones instantáneas bajo carga o deformaciones progresivas bajo carga o fluencia (creep);

• Contracciones por secado o por cambios de temperatura.

Todas estas causas de deformación poseen magnitudes del mismo orden y deben evaluarse y tomarse en consideración siempre que se diseña concreto.

1.4 ESTADO FRESCO DE LA PASTA DE CEMENTO Y DEL CONCRETO ( ) 1

1.4.1 EL PAPEL DEL AGUA EN EL CONCRETO

Las propiedades de la pasta de cemento fresco y del concreto dependen de la estructura y propiedades del agua corriente, las cuales son extraordinarias para una substancia de tan bajo peso molecular. Cada molécula tiene un permanente momento dipolar. Las fuertes fuerzas de atracción entre estas moléculas altamente polares generan altos valores de: temperaturas de ebullición y de fusión, calores de fusión y vaporización, viscosidad y tensión superficial. Adicionalmente a la interacción dipolar, el enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua y la agitación térmica afecta la estructura del agua y de las soluciones acuosas. Los enlaces de hidrogeno generan formación de pequeños grupos de moléculas, el grado de asociación depende de la temperatura. La agitación térmica, incluyendo movimientos de traslación, rotación y vibración, tienden a romper la estructura.

En estado líquido las moléculas están fácilmente orientadas en un campo eléctrico tal que el agua tiene una gran constante dieléctrica, 78.6 a 25 °C. Esta orientación, así como la polarización molecular significa que la resistencia del campo eléctrico y las fuerzas entre partículas cargadas, tales como iones en solución, se reducen a 1/78.6 relativo al vacío o al aire. Por esta alta constante dieléctrica, el agua es un

1 Klieger, P., Lamond J.F., editors, “Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials“, ASTM, STP 169C, 4th de., August 1994

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excelente solvente de sales; la energía de separación de dos iones en solución es una función inversa de la constante dieléctrica del solvente. Los iones en solución no son entidades separadas pero tienen moléculas de agua atacándolas a ellas por los enlaces iónicos dipolares.

Unos pocos minutos después que la mezcla comienza, cerca de la mitad de los álcalis del cemento son disueltos tal que la concentración de los álcalis y iones hidroxilos pueden comúnmente estar entre 0.1 a 0.4 mol/lt., dependiendo de la relación a/c y del contenido de álcalis. A 0.3 mol/lt, cada ión puede separarse de iones parecidos, en promedio aproximadamente 1.7 nm, o cerca de cinco moléculas de agua.

1.4.2 FUERZAS INTERPARTÍCULAS

En los sólidos, los átomos cerca de la superficie están distorsionados y movidos relativamente de sus posiciones en el interior a causa del incompleto enlace atómico sobre la superficie. Esta distorsión de la superficie produce una carga superficial neta negativa o positiva y una energía libre superficial elástica. La sílice en la superficie del cuarzo en solución acuosa atrae iones hidroxilos, reduce el pH, y produce superficies con exceso de cargas negativas. Partículas con cargas superficiales del mismo signo se repelen unas a otras en suspensión y tienden a permanecer dispersas. Partículas de signos opuestos se atraen unas a otras y floculan.

Adicionalmente, a estas fuerzas de columbs y a las polares, las cuales pueden ser de atracción como de repulsión, hay fuerzas entre sólidos, átomos y moléculas que son siempre de atracción. Las fuerzas de Van der Waals o de dispersión existen porque cada cuerpo neutro esta constituido por sistemas de cargas oscilantes que induce polarización e interacción de dipolos oscilando. La acción combinada de las diferentes fuerzas causa sorpción de moléculas de agua y iones de la solución, lo que puede neutralizar las cargas de la superficie y establecer distancias de separación de mínima energía potencial entre las partículas sólidas. Las propiedades mecánicas de ambas pastas de cemento, fresca y endurecida, así como las del concreto, depende de estas fuerzas.

1.4.3 ESTRUCTURA DE LA PASTA FRESCA DE CEMENTO

Los cementos portland modernos tienen un tamaño de partícula media que esta entre 12 y 15 µm (diámetro de una esfera equivalente), la mayoría de todas las partículas son más pequeñas que 45 µm y es muy poco el cemento con partículas más finas que 0.5 µm. Durante la molienda el yeso se muele más fácil y generalmente se hace mas fino que el clinker. Después de mezclar el cemento con el agua, las superficies sólidas se recubren por capas difusas de iones adsorbidos, moléculas de agua orientadas dipolarmente y iones disueltos formando películas delgadas algo mayores que el tamaño de la molécula de agua. (0.3 nm) Estas películas a la vez separan y enlazan fuertemente las partículas sólidas en la estructura del floc.

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En las pastas de cemento frescas y en el concreto preparados con altas dosis de aditivos reductores de agua, las partículas de cemento pueden estar casi completamente dispersas (defloculadas), pues estas grandes moléculas orgánicas son absorbidas por sus superficies, desplazando las películas de agua y reduciendo grandemente las fuerzas de atracción entre las partículas de cemento. Las adiciones minerales que contienen pequeños porcentajes de partículas ultrafinas (submicroscópicas) pueden también producir dispersión de las partículas de cemento por adsorción de las partículas ultrafinas sobre la superficie de las partículas de mayor tamaño. Esta consideración específica del efecto de las partículas ultrafinas, es responsable por la mejora de la fluidez de la mayoría de las mezclas de cemento portland - ceniza volante.

1.5 HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y FORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA

1.5.1 REACCIONES DE HIDRATACIÓN TEMPRANAS

Las reacciones químicas entre el cemento portland, el agua y las adiciones están generalmente bien controladas y siguen una secuencia definida. La disolución parcial inicial de los sulfatos alcalinos, sulfatos de calcio, aluminatos y silicatos, rápidamente incrementan la concentración de iones en solución hasta niveles de sobresaturación (excepto para los hidróxidos alcalinos) y producen aluminatos de calcio, sulfoaluminatos y silicatos hidratados sobre la superficie del cemento y de otras partículas. En algunos minutos, estas reacciones se aletargan por formación de hidratos sobre las superficies de reacción generando un período durmiente durante el cual concluye la formación de la ettringita y persiste la sobresaturación en calcio. Eventualmente el hidróxido de calcio comienza a cristalizar de la solución, reduciendo la concentración de calcio y acelerando la disolución y reacción de los silicatos. El fraguado resulta del crecimiento de cristales aciculares de hidratos de silicato de calcio que puentean los espacios vacíos llenos de agua. La reacción de los aluminatos para formar la ettringita continua hasta que realmente los sulfatos de calcio solubles se han terminado. La concentración de sulfatos en solución entonces decrece, generando disolución de alguna ettringita y un período de aceleramiento de la hidratación de las fases de aluminatos y de ferritos.

Durante las reacciones previas al fraguado, ocurren entre dos a tres tipos de cambios de volumen. La sedimentación genera una merma de la estructura del floc y presencia de agua de sangrado en la superficie, si la evaporación no es excesiva. Si la superficie se seca parcialmente, la tensión capilar del agua puede causar retracción plástica y fisuras. La retracción química corresponde al cambio de volumen que resulta de la formación de los hidratos que poseen menos volumen sólido que el volumen del agua y de los sólidos reaccionantes. En el tiempo en que la pasta sea plástica, el volumen total de la pasta sufrirá retracción química. Después de fraguado, las dimensiones externas permanecen esencialmente fijas y un agua adicional deberá ser absorbida para tener los poros saturados. Si no se absorbe suficiente agua la pasta sufrirá una autodesecación.

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1.5.2 REACCIONES DE ENDURECIMIENTO Y LA MICROESTRUCTURA

El cemento portland continúa reaccionando con el agua a menores velocidades después del fraguado. En las primeras 24 horas a temperatura ambiente, entre un 30 a 40% del cemento se habrá hidratado formando capas que incrementan la densidad y el espesor alrededor de cada partícula. (Ver Figura N° 2) Las grandes partículas de clinker hidratan por disolución parcial y parcialmente por reacciones in situ tal que se forman substancias en la frontera con el grano original.

La profundidad de reacción se incrementa con el tiempo, pero la velocidad de reacción se reduce de tal manera que las partículas grandes pueden tener corazones no hidratados después de años de curado húmedo. La porción disuelta genera productos en los espacios llenos de agua cerca a los granos. Los silicatos de calcio producen cristales de hidróxido de calcio y muy cercanamente hidratos de silicato de calcio amorfos (C-S-H gel) que encierran fases cristalinas producidas en las primeras reacciones. Los poros capilares permanecen en la pasta madura de cemento endurecido incrementando su tamaño con la relación a/c y teniendo diámetros entre 10 µm a 10 nm.

Power definió a los productos de hidratación del cemento portland como un GEL DE CEMENTO, reconociendo que esta constituido por: productos cristalinos y geles de C-S-H y microporos. Las investigaciones mostraron que los geles de cemento poseen una porosidad mínima cercana al 30% y su superficie específica es del orden de 200 m2/g, calculada por BET.

Estos estudios también mostraron que con una relación a/c de 0.38, todos los espacios de los poros capilares se llenan por un gel de máxima densidad cuando todo el cemento se ha hidratado. Las mezclas preparadas con relaciones agua/cemento menores de 0.38 no se hidratarán completamente. La cantidad de cemento que se puede hidratar es proporcionalmente menor porque la hidratación virtualmente se detiene cuando los espacios capilares se han llenado con gel de mínima porosidad. Cuando se consigue la completa hidratación, en pastas endurecidas saturadas preparadas con relaciones a/c mayores de 0.38 quedan poros capilares sin llenar, iguales al exceso por encima de 0.38. Las mezclas parcialmente hidratadas tienen proporcionalmente menos gel y más espacios capilares.

Los cementos de diferentes composiciones se comportan de manera similar y según lo expuesto anteriormente. Ver Figuras N° 3 y N° 4. La hidratación de cada unidad de volumen de cemento produce cerca de 2.1 volúmenes de gel y que la porosidad del gel esta en aproximadamente el 28 %.

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FIGURA Nº 2: Representación del desarrollo de la microestructura en la pasta de cemento Pórtland. Las partículas finas se han omitido por claridad. (a) mezcla inicial, (b) 7 días, (c) 28 días, (d) 90 días.

Poros capilares llen

Material sin hi

Hidróxido de calcio

CSH

os de agu

dratar

a


FIGURA Nº 3: COMPOSICIÓN DE LA PASTA EN DIFERENTES ESTADOS DE HIDRATACIÓN

PASTA FRESCA

0.000.501.001.502.002.503.003.504.00

0.00 0.10 0.19 0.29 0.38 0.48 0.57 0.66 0.76 0.86 0.95

Relación a/c

Volú

men

de

Past

a(m

l)

cemento sinhidrat.Agua capilar

67 % DE HIDRATACIÓN

0.000.501.001.502.002.503.003.504.00

0.00 0.10 0.19 0.29 0.38 0.48 0.57 0.66 0.76 0.86 0.95

Relación a/c

Volú

men

de

Past

a (m

l)

Producto dehidratacióncemento sinhidratarAgua capilar


0.000.501.001.502.002.503.003.504.00

0.00 0.10 0.19 0.29 0.38 0.48 0.57 0.66 0.76 0.86 0.95

Relación a/c

Volú

men

de

Past

a (m

l)

Producto dehidrataciónCemento sinhidratarAgua capilar


0.000.501.001.502.002.503.003.504.00

0.00 0.10 0.19 0.29 0.38 0.48 0.57 0.66 0.76 0.86 0.95

Relación a/c

Volú

men

de

Past

a (m

l)

Producto dehidratación

Cemento sinhidratar

Agua capilar

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1.5.3 VOLUMEN DE LOS PRODUCTOS DE HIDRATACIÓN ( )2

Los espacios totales ocupados por los productos de hidratación, en un principio contienen el volumen absoluto del cemento seco junto con el volumen del agua añadida a la mezcla. La pequeña pérdida de agua debida al sangrado y la contracción de la pasta en el estado plástico no serán tenídas en cuenta en este punto. En general, el agua enlazada químicamente por cada una de las fases del cemento es:

100 cc 3.7 cm 3

50 cc

0 cc

0 % de 50% de 100% de Hidratación Hidratación Hidratación

FIGURA N° 4 PROPORCIONES VOLUMETRICAS DE LA PASTA DE CEMENTO EN

DIFERENTES ETAPAS DE LA HIDRATACION (a/c = 0.48)

7.4 cm 3 Poros capilares vacios

7.0 cm 3 agua capilar

24.0 cm 3

agua de gel

61.6 cm 3

Productos sólidos de hidratación

Capilares

Cemento Hidratado

Poros capilares vacios

33.5 cm 3 agua capilar

12.0 cm 3

agua de gel

30.8 cm 3

Productos sólidos de hiratación .

2 Neville, A.M., “Properties of Concrete“ 4° edition, John Wiley & Sons, Inc., 3ª impression 1997

20.0 cm 3

Cemento no hidratado

60 cm 3

agua

(60 grs)

40 cm 3

Cemento

(126 grs)

Cemento hidratado


COMPOSICIÓN POTENCIAL % EN PESO DE LA FASE

C3S 24 C2S 21 C3A 40

C4AF 37

De otra manera se puede determinar en condiciones específicas, que el agua no evaporable para un cemento bien hidratado es del orden del 18% del peso del cemento anhidro. Cuando el cemento esta totalmente hidratado este valor corresponde al 23 % del peso del cemento anhidro utilizado. En el cemento Tipo II el valor del agua no evaporable esta alrededor del 18%.

La gravedad específica de los productos de hidratación del cemento es tal que ellos ocupan un mayor volumen que el volumen absoluto del cemento sin hidratar pero es más pequeña que la suma de los volúmenes del cemento seco y del agua no evaporable, en aproximadamente el 0.254 del volumen del agua no evaporable. Un valor promedio de la gravedad específica de los productos de hidratación en estado saturado es de 2,16 incluyendo poros en la estructura más densa posible.

En un ejemplo es posible comprender mejor esta situación. Si se considera la hidratación de 100 gr de cemento con una gravedad específica de 3.15, el volumen absoluto del cemento anhidro será 100/3.15 = 31.8 ml. El agua no evaporable es como se ha dicho, el 23% del peso del cemento, entonces será 23 ml. Los productos sólidos de hidratación ocuparán un volumen igual a la suma de los volúmenes del cemento anhidro y el agua menos 0.254 del volumen del agua no evaporable:

( ) ml9.48254.01*23.08.31 =−+

Entonces la pasta en estas condiciones tiene una porosidad característica de cerca

del 28%. El volumen del gel de agua, W g,

mldonde WWW

gg

g 0.19,28.09.48

==+

esta dado por:

será:

e puede hacer un resumen así:

ml9.670.199.48 =+

El volumen de cemento hidratado

S

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1Peso de cemento seco 00.0 g

Volumen absoluto de cemento seco 31.8 ml

Peso del agua combinada 23.0 g

Volumen del gel de agua 19.0 ml

Agua total en la mezcla 42.0 ml

Relación agua/cemento en peso 0.42

Relación agua/cemento en volumen 1.32

Volumen de cemento hidratado 67.9 ml

Volumen original de cemento y agua 73.8 ml

Reducción del volumen por la hidratación 5.9 ml

Volumen de productos de hidratación por 1 ml. de cemento seco 2.1 ml

Es importante anotar que este ejemplo asume que la hidratación toma lugar en un tubo de ensayo sellado sin movimiento de agua de ninguna clase. La reducción de volumen de 5.9 ml representa los espacios capilares vacíos distribuidos en la pasta

a por la reacción química, esto

la presión de vapor del agua cae por debajo de 0.8 de la presión de saturación.

hidratada.

En la Figura N° 5 se muestran los cambios volumétricos descritos anteriormente. En ella se observa que cuando la cantidad total de agua es inferior al 42 % del peso de cemento, podrá ser insuficiente para conseguir la total hidratación de éste, puesto que el gel sólo se puede formar cuando hay suficiente agua disponible para propiciar las reacciones químicas y para ir llenando los poros del gel que se van formando. El agua de gel, por estar firmemente retenida, no puede moverse dentrode los capilares, tal que no esta disponible para la hidratación del cemento anhidro.

Por esto, en una muestra sellada cuando la hidratación ha avanzado al estado en que el agua combinada corresponde a la mitad del contenido del agua adicionada originalmente, la hidratación no continuará. De aquí también se deduce que la hidratación completa en una muestra sellada sólo es posible cuando el agua de mezcla es por lo menos el doble del agua requeridsignifica que debería tener una relación a/c de 0.5.

En la práctica, en el ejemplo dado anteriormente, la hidratación no hubiera avanzado hasta completarse, puesto que se habría detenido aun antes de que los capilares se hubieran vaciado. Se ha encontrado que la hidratación se vuelve más lenta cuando

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FIGURA N° 5: Representación esquemática de los cambios de volumen por la hidratación de una pasta con a/c de 0.42.

5.9 ml poros capilares vacíos

42.0 ml agua 19.0 ml agua de gel

48.9 ml 31.8 ml cemento de productos sólidos de hidratación

CEMENTO

HIDRATADO

1.5.4 EFECTOS DEL SECADO

La pérdida de humedad, en atmósferas secas, vacían parcialmente los grandes capilares que llegan a la superficie. El agua adsorbida permanece en las paredes de los capilares como un menisco de forma cóncava y progresa dejando poros pequeños interconectados. La curvatura del menisco y la tensión capilar en el agua remanente cambia con la humedad relativa decreciendo cuando ésta alcanza un valor de 45%, por debajo de la cual prevalecen los esfuerzo de sorpción. La menor humedad relativa baja la velocidad de hidratación; al 80%, la hidratación es insignificante. El secado causa retracción del cemento endurecido y una gran alteración de la microestructura del gel. La retracción y estabilización de la pasta endurecida de cemento portland por efecto del secado son procesos complejos y parcialmente irreversibles que envuelven efectos de capilaridad, sorpción y deshidratación.

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1.6 RELACIONES ENTRE LAS PROPIEDADES DE LA ESTRUCTURA DE LA PASTA DE CEMENTO

1.6.1 REOLOGÍA DE PASTAS FRESCAS DE CEMENTO

Cuando el cemento se mezcla con suficiente agua e intensidad, las partículas finas del aglomerante seco son las primeras en dispersarse y entonces tienden a formar la estructura de un “floc” o aglomeraado, que se esta rompiendo permanentemente por el mezclado sí las reacciones tempranas están bien controladas. Cuando el mezclado se detiene, la estructura del aglomeraado se rehace hasta formar esencialmente un aglomerado continuo. La pasta de cemento en estas condiciones es un sólido débil con un valor medible del esfuerzo cortante que depende de: la relación a/c, la finura del cemento y otros factores. Los valores típicos para el cemento portland sin adiciones, se encuentran entre 10 a 100 Pa (0.0014 a 0.014 psi.) para una relación a/c entre 0.6 a 0.35 ( )3 . Antes de este esfuerzo, las pastas son elásticas y el esfuerzo a la deformación puede alcanzar cerca de 20°, indicando una elasticidad parecida a la del caucho. Las pastas son también sólidos plásticos con valores típicos para la viscosidad plástica en un rango aproximado de 10 a 100 mPa*s (centipoise). Las pastas con relación a/c alta parecen líquidos y pueden fluir fácilmente porque el valor limite del esfuerzo cortante es demasiado bajo. A bajas relaciones a/c, ellas son obviamente plásticas y pueden deformarse por esfuerzos moderados. El ensayo standard sobre pastas de consistencia normal con una relación a/c cercana a 0.25 tiene un valor de esfuerzo cortante de 2.000 Pa (0.29 psi.). A temperatura ordinaria, la reacción de hidratación del cemento portland genera un progresivo entumecimiento y fraguado en las primeras horas. El esfuerzo cortante se incrementa cuando la pasta llega al principio de fraguado, 2 x 104 Pa (2.9 psi.) y a 1x105 Pa (14 psi.), cuando se logra el fin de fraguado.

1.6.2 ELASTICIDAD Y FLUENCIA

Las pastas de cemento endurecidas no son perfectamente elásticas, pero son sólidos viscoelásticos. La fricción interna, la fluencia y la relajación del esfuerzo son útiles disipando la energía vibracional y previenen la concentración excesiva de esfuerzos en el concreto. Son un resultado de la redistribución de la humedad, del flujo del gel viscoso y de la disolución de sólidos bajo esfuerzo y de la recristalización en los poros. Estos procesos y el lento crecimiento de las fisuras corresponden a procesos activados térmicamente en los cuales el movimiento térmico aleatorio provee suficiente energía adicional al esfuerzo aplicado por causa del agua adsorbida o por los enlaces sólido-sólido, que exceden la energía de enlace. Los ensayos de carga a corto tiempo sobre pastas de cemento endurecido saturadas de agua muestran que la fluencia y la recuperación de la fluencia versus el tiempo son curvas bimodales y consisten de un componente con efecto en un tiempo de retardo en el rango de 0.2 a 2 seg. y un componente lento cuyo efecto aparece a las semanas. El componente de corto tiempo de efecto fue identificado

3 Helmuth, R. A., in Principal Reports, Seventh International Congress on the Chemistry of Cement, Paris, 1980, Paris Editions Septima, Vol. III, 1980, pp. VI-0/1-30

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como la redistribución del agua en los poros capilares. La difusión del agua fuertemente adsorbida y la de los hidratos, la recristalización y otros cambios irreversibles, se consideran los contribuyentes de los procesos lentos. La fluencia de las pastas endurecidas de cemento puede deberse algunas veces a la deformación elástica.

El módulo elástico (E) se puede medir exactamente por métodos dinámicos. Se conoce que varía con la porosidad (ε ) de acuerdo con la siguiente relación:

E = E0 (1 - ε)3

Donde E0 es el módulo elástico a porosidad cero.

Sí se utiliza la porosidad capilar, E0 es el módulo del gel de cemento con un valor aproximado de 34 GPa (5x 106 psi.) para un módulo de Young de pasta saturada de agua. Si la porosidad total, incluyendo la de los geles, se utiliza, E0 es un módulo promedio para el sólido de un valor aproximado a 76 Gpa (11 x 106 psi.). Ecuaciones de la misma forma aplican para el módulo de cortante y el de compresibilidad. El secado significativo reduce la relación de Poisson de 0.3 a 0.18 y el módulo de compresibilidad. Los esfuerzos son conducidos por al menos algun agua en los poros.

1.6.3 RESISTENCIAS A COMPRESIÓN ( )4

La fracción X del espacio disponible que esta lleno por gel de cemento en cualquier estado de la hidratación, es llamada la relación gel/espacio. Se puede calcular con base en la relación a/c, la fracción de cemento que se ha hidratado y el volumen de gel producido. Para pastas totalmente hidratadas esto es lo mismo que (1 - ε) para la porosidad capilar. La resistencia a la compresión, fc, a diferentes relaciones a/c y edades, se puede expresar simplemente como:

Xff n

cgc=

donde:

fcg es la resistencia intrínseca del gel a X = 1 n es un valor aproximado a 3

El uso de esta ecuación plantea que la resistencia intrínseca del gel de cemento se encuentra entre 90 a 130 MPa (13.000 a 18.500 psi.) en morteros elaborados con cinco cementos diferentes. Sin embargo, probablemente los morteros no dan una

4 Powers, T. C., Proceedings, Fourth International Symposium on the Chemistry of Cement, Monograph 43, National Bureau of Standards, U. S. Department of Commerce, Washington, DC, Vol, II, 1962, pp. 577-608.

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medida segura de la resistencia intrínseca de las pastas por la presencia de la zona de transición en la superficie de los agregados.

Los ensayos más recientes sobre pastas, hechos con cementos portland normalmente molidos y con una distribución de tamaño de partículas controlada, han mostrado que la resistencia intrínseca del gel no depende de esta distribución de tamaño de partículas, al menos en el rango investigado, aunque la velocidad del desarrollo de resistencias si. Sin embargo, la resistencia de pastas a algunas edades, define diferentes líneas rectas para cada relación a/c cuando se grafican contra X3, y muestran resistencias intrínsecas de 134 a 97 MPa (19.400 a 14.000 psi.), para relaciones a/c entre 0.36 y 0.54, respectivamente ( )5 . Este resultado indica que la resistencia intrínseca del gel formado con relaciones a/c por encima de 0.38 decrece con el incremento de la relación a/c, en contraste con los datos de los morteros de Power a diferentes relaciones a/c. Si se considera que la pasta fresca de cemento tiene una resistencia igual a la de su esfuerzo limite, típicamente 10 a 100 Pa, y que la resistencia a compresión última es de 10 a 100 MPa, el incremento es cercano a un millón de veces.

1.6.4 PERMEABILIDAD

Las pastas de cemento endurecido y el concreto son porosas y permeables al agua, a los materiales disueltos y a los gases. Cuando están saturados de agua, el flujo es proporcional a la diferencia de presión hidráulica, si se hacen correcciones por el efecto osmótico; gradientes de concentración generan flujo osmótico para mayores concentraciones y difusión de iones a baja concentraciones. Cuando hay un secado parcial, la humedad relativa y los gradientes de humedad generan flujos, por la tensión capilar, y difusión por la superficie y en la fase de vapor. Los mismos cambios de la microestructura que causan grandes cambios del módulo de elasticidad y de la resistencia de la pasta de cemento durante el endurecimiento, generan la reducción de la permeabilidad.

El coeficiente de permeabilidad de las pastas frescas de cemento portland de 0.5 a 0.7 de relación a/c, calculada de los datos de sangrado, tiene un rango de 5.7 a 20 x 10-5 m3/(s.m2.MPa/m) [6.1 a 22 x 10-4 in.3/(s.in2.psi/in)], respectivamente. Estos coeficientes para las pastas endurecidas, con la misma relación a/c, después de un prolongado curado húmedo, y determinados sobre muestras maquinadas, se redujeron a valores últimos de 4.5 a 60 x 10-12 m3/(s.m2.MPa/m ) [4.8 a 65 x 10-11 in.3/(s.in.2.psi/in] ( )6 . El coeficiente de permeabilidad de las pastas frescas es cerca de 10 millones de veces mayor que cuando hay total hidratación. Especímenes secados prudentemente paso a paso a 79 % de humedad relativa y que se les restauró la humedad cuidadosamente para evitar ruptura o fisuras,

5 Helmuth, R. A., “Phase I: Energy Conservation Potencial of Portland Cement Particle Size Distribution Control“, Construction Technology Laboratories Final Report, CR7523-4330, to U.S. Department of Energy, Washington, DC, March 1979.

6 Powers, T. C., Copeland, L. E., Hayes, J.C., and Mann, H. M., Journal, American Concrete Institute Proceedings, Vol. 51, Nov. 1954, pp. 285-298

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comparativamente tuvieron coeficientes de permeabilidad del orden de 70 veces más, respecto de especímenes continuamente curados en húmedo. Tales cambios indican ampliación de grandes poros por secado parcial.

1.6.5 EXPANSIÓN TÉRMICA

El coeficiente de expansión térmica del concreto está determinado principalmente por el de sus agregados. Además, la expansión térmica de las pastas endurecidas de cemento portland depende básicamente de su contenido de humedad, porque la retención de agua en la superficie del gel se reduce cuando la temperatura se incrementa y viceversa. Cuando se enfría sin adición de agua, el gel de cemento se seca lentamente teniendo un coeficiente térmico lineal de 27 x 10-6/°C. Cuando el gel de cemento es enfriado en contacto con suficiente agua capilar en la pasta de cemento endurecida o con agua externa, la humedad fluye dentro del gel; resultando un hinchamiento térmico (durante o después del enfriamiento) produciendo un coeficiente térmico neto de 11.6 x 10-6/°C. A bajas humedades relativas, este coeficiente decrece casi al mismo valor que el de las pasta saturadas. Las diferencias entre los coeficientes de dilatación térmica de la pasta y de los agregados pueden causar esfuerzos locales excesivos en el concreto, a menos que sean atenuados por la fluencia.

1.7 PROPORCIONAMIENTO DEL CONCRETO, ESTRUCTURA Y PROPIEDADES.

1.7.1 PROPORCIONAMIENTO Y CONSISTENCIA

Básicamente se distinguen dos diferentes clases de mezclas de concretos. Las mezclas no plásticas elaboradas con una relativa pequeña cantidad de agua presentan una considerable masa cuando el agua es añadida y después de compactación tienen suficiente resistencia para soportar su propio peso. La industria de bloques de concreto esta basada sobre estas mezclas no plásticas pero de alta cohesividad. Los espacios vacíos en tales mezclas son relativamente altos y están llenos la mayoría por aire. La resistencia de las mezclas cohesivas resulta por la tensión capilar del enlace como menisco de las películas de agua y entre las partículas sólidas y las fuerzas superficiales del sólido. La resistencia y la masa se incrementan al máximo cuando el agua es añadida y entonces decrece cuando los espacios vacíos están casi llenos de agua y la tensión capilar va disminuyendo. Con suficiente agua, la mezcla es humedecida de tal forma que la superficie del menisco y la tensión capilar desaparecen, el contenido de vacíos llega a un mínimo y la deformación plástica se hace posible. Las fuerzas cohesivas remanentes son un resultado de la atracción interparticular entre las partículas finas agrupadas. Este contenido mínimo de espacios vacíos esta cercano al 12 % de aire cuando tales mezclas se han compactado por medios mecánicos y el contenido de cementos no esta por debajo de un cierto límite. Al contenido de agua para conseguir un mínimo de vacíos, se le llama contenido básico de agua.

La consistencia de la pasta de cemento a su contenido básico de agua es parecida a la consistencia normal, tal como la define el estándar ASTM o la NTC del

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ICONTEC. Las pastas de consistencia normal y las mezclas de mortero o concreto elaboradas con diferentes agregados y con su contenido básico de agua, tienen valores de asentamientos cercanos a 42 mm (1.7 in) en los ensayos estándar. Tales concretos son mucho más rígidos que las mezclas plásticas comúnmente usadas en la práctica de obra y que generalmente contienen adiciones y aditivos y mayor contenido de agua. Además, las adiciones de agua incrementan el volumen de vacíos, reduce las fuerzas entre partículas e incrementa la capacidad para la deformación plástica.

El principal efecto de adicionar incrementos de agregados a la pasta, es que se reducen la cantidad de vacíos y el consumo de cemento por unidad de volumen. Cuando el agregado es introducido, las tensiones plásticas en la pasta durante la compactación son necesariamente mayores y la mezcla se entumecerá mas que la pasta. Si tales adiciones comienzan utilizando pasta de cemento de consistencia normal, y si la misma fuerza o energía de compactación se aplica a la mezcla como a la pasta, esta consistencia podrá ser mantenida constante si se incrementa la adición de agua con cada incremento de agregado. La relación de: volumen de agua mas aire al volumen total de sólidos, - relación de vacíos -, se reduce con la incorporación de los agregados, pero no tanto como sin el agua añadida, hasta que se alcanza un mínimo contenido de vacíos y a partir de este punto, comienza a incrementarse el contenido de vacíos.

La consistencia del concreto depende de la consistencia de la pasta, también como de la dispersión del agregado en suficiente volumen de pasta por cada agregado particular. Aunque el valor del esfuerzo limite del concreto podrá ser calculado por el valor del asentamiento, aún no hay un método válido de cálculo del asentamiento del concreto con base en el esfuerzo último de la pasta, para concretos elaborados con diferentes agregados y proporciones. Para proporciones fijas, el entumecimiento de la pasta y del concreto así como sus cambios, pueden calcularse de los datos de la pasta para concretos ordinarios. En mezclas relativamente ricas en cemento y en volumen de pasta, el añadir incrementos de agregados no exige mayores incrementos de la adición de agua para conseguir el flujo requerido. En mezclas pobres, particularmente en aquellas con contenidos de agregados por encima de las de mínima relación de vacíos, pero por debajo de aquellas mezclas muy pobres que requieren cantidades excesivas de aire atrapado, el requerimiento de agua es proporcional a la fracción del volumen de agregado en los sólidos totales. Todo esto se aplica en los concretos elaborados para uso común.

1.7.2 ESTRUCTURA

La estructura fina de la pasta de cemento fresca y endurecida fue descrita anteriormente. Además, la matriz de pasta de cemento endurecida presente en el mortero y el concreto, difiere en su estructura de poros de aquellas muy puras empleadas para estudio. Las diferencias entre ellas se deben a:

• El aire atrapado en las mezclas compactadas normalmente

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• La deficiencia de grandes partículas de cemento y a la mayor porosidad que se presenta sobre la superficie de los agregados, porque las partículas no pueden empacarse como una pasta densa. Ver Figura N° 6.

• La sedimentación de partículas de cemento previo al fraguado que libera agua de sangrado de la fracción de pasta que se encuentra debajo de las partículas grandes de agregado, creando vacíos, especialmente cuando mayor es la relaciones a/c. Las adiciones minerales tales como la ceniza volante y el humo de sílice condensado, reducen estos dos defectos y con ello, se reduce mucho la permeabilidad.

La estructura del concreto esta determinada por el volumen y la distribución de tamaños de las partículas de los distintos agregados, el volumen del cemento y las adiciones, el agua y el aire atrapado durante el mezclado del concreto, por los procedimientos de mezcla, colocación o de muestreo y por las condiciones de curado. En un amplio rango de proporciones de materiales aceptables y adecuadamente mezclados, el concreto fresco genera mezclas cohesivas, plásticas y trabajables. Estas mezclas están constituidas por partículas de cemento y de adiciones que se dispersan en el agua y por partículas de agregados que se distribuyen en las tres dimensiones aparentemente de forma aleatoria, incorporándose dentro de una matriz de pasta y de vacíos con aire.

Para que el concreto pueda ser plástico, los agregados deben dispersarse en suficiente volumen de pasta de cemento para permitir deformaciones bajo esfuerzos cortantes. Para cualquier distribución de tamaño de agregado, la mínima proporción de vacíos indica el volumen requerido para llenar los vacíos con agregados compactados por varillado en seco. Si el concreto es plástico, debe contener un exceso de volumen de pasta y aire por encima del mínimo requerido para dispersar los agregados, esto con el fin, de proveer alguna separación entre partículas que podrían estar en contacto en ausencia de pasta. Los agregados finos dispersan los agregados gruesos pero también reducen el promedio del espesor de la película de pasta. Para concretos elaborados con similares relaciones de vacíos, cerca de 0.20, con asentamientos entre 75 a 100 mm (3 a 4”) y finura de agregados, Powers calculó la mínima distancia de separación entre las partículas de agregados desde el exceso de volumen de pasta, por dos métodos diferentes con resultados distintos.

Los valores promedios obtenidos por los dos métodos abarcaron un rango entre 26 a 121 µm para mezclas pobres y ricas respectivamente, la última conteniendo el mayor porcentaje de agregados finos, 43%, y con la mínima proporción de vacíos. Estos resultados indican que muchos concretos, especialmente las mezclas muy pobres, poseen una baja trabajabilidad a causa de la interferencia de las partículas al flujo, en especial por parte de las partículas grandes de cemento. (≥ 30 µm) Estos resultados han sido confirmados por recientes investigaciones. Aunque las pastas de cemento elaboradas con cementos de tamaño máximo de partículas de 30 µm se entumecieron mas que aquellas hechas con cemento ordinario, se consiguieron mejoras en la fluidez utilizando cementos con distribución de tamaño de partículas controlada (DTPC), tanto para morteros estándares como para concretos comunes,

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no pobres en cemento. ( )7 La interferencia de partículas por partículas grandes es también una de las razones para que algunas cenizas volantes incrementen las necesidades de agua del concreto.

FIGURA N° 6: REPRESENTACIÓN DE LA ZONA DE TRANSICIÓN INTERFASE PASTA/AGREGADO EN EL CONCRETO

1.7.3 PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO

Actualmente existen muchas relaciones ciertas entre las propiedades del concreto y la de los materiales que lo constituyen como la pasta o los agregados. Ello permitirá al productor de concreto así como al estudioso del mismo, reconocer rápidamente y de forma sencilla como puede fabricarse un material que satisfaga unas condiciones previamente establecidas que garanticen el comportamiento mecánico de una estructura y la durabilidad de la obra en condiciones particulares.

La fluencia de muchos concretos, exceptuando aquellos posiblemente cargados a edades tempranas, es proporcional a la relación tensión/resistencia entre 0.3 y 0.6.

7 Helmuth, R.A., Whiting, D.A., and Gartner, E.M., “Energy Conservation Potential of Portland Cement Particle Size Distribution Control Phase II“, Final Report to U.S. Department of Energy, Washington, DC.

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Las microfisuras también comienzan en aproximadamente este mismo rango, dependiendo de la heterogeneidad de las mezcla. Los morteros por ejemplo presentan proporcionalidad hasta quizás 0.85. En los concretos, la relación tensión/resistencia que se aproxime a este valor produce fallas en el tiempo.

La durabilidad a largo plazo del concreto depende fuertemente de las condiciones de exposición y de servicio, de las propiedades del concreto especialmente de la porosidad y de la estructura de los poros, y del diseño estructural. La exposición a aguas ácidas o neutras causa lixiviación del hidróxido de calcio de la pasta de cemento endurecida, lo que incrementa la porosidad y la permeabilidad y puede eventualmente ablandar hasta la tobermorita (C-S-H), que es mucho menos soluble. Los sulfatos en agua fresca pueden penetrar en el concreto para ocasionar ataques por reacción con la fase aluminato de la pasta endurecida de cemento produciendo ettringita, la cual puede generar destrucción por expansión si no hay suficientes espacios para acomodar la expansión de volumen de este producto de reacción. las soluciones de calcio y de cloruro de sodio reaccionan para formar la sal de friedel y otras sales complejas, algunas de las cuales producen reacciones expansivas bajo algunas condiciones. El agua de mar genera lixiviados y contiene iones de sodio, cloro, magnesio y sulfatos en cantidades suficientes para producir reacciones significativas, pero el efecto mas importante de ella es la erosión o pérdida de constituyentes. ( )8

La humedad y las temperaturas de congelación pueden causar destrucción en el concreto por la formación de hielo en los grandes poros de la pasta de cemento endurecida y en los de algunos agregados. La formación de hielo en superficies congeladas es propagada a través de los capilares suficientemente grandes hasta congelarlos también. A causa de la tensión interfacial hielo/agua, los pequeños capilares requieren bajas temperaturas para ser penetrados por las puntas crecientes de los cristales de hielo. Estos cristales en los capilares congelados y también aquellos en el interior de los vacíos con aire, crecen por aumento osmótico del hielo formado por la difusión del agua desde los poros del gel.

Muchas propiedades del concreto endurecido pueden estimarse con razonable certeza utilizando ecuaciones relativamente simples que emplean datos conocidos de las propiedades de los agregados, de la pasta de cemento endurecida y del agua utilizada. La densidad y la capacidad calórica son ejemplos simples. Actualmente se emplean modelos predictivos por parte de la ingeniería de diseño para estimar los efectos de la fluencia, la contracción y la temperatura. Modelamientos sobre el desarrollo de la microestructura y de las propiedades del concreto se han empleado para predecir velocidades de hidratación, reducción de la porosidad total, volúmenes de poros de diferentes tamaños, evolución del calor, coeficientes de permeabilidad y de difusión, y resistencias a compresión de concretos de diversas composiciones con diferentes temperaturas y contenidos de humedad. Muchos otros ejemplos podrían citarse. Tales estudios continúan buscando mejorar nuestro

8 Lea, F. M., “The Chemistry of Cement and Concrete“, 3° de., Chemical Publishing Co., New York, 1971, pp. 1-10, y 625.

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conocimiento y nuestras habilidades para diseñar y probar los concretos y sus materiales en circunstancias de aplicaciones específicas.

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CAPÍTULO 2: MATERIALES DEL CONCRETO

2.1 LOS CONGLOMERANTES

Es importante antes de entrar en materia, presentar a los conglomerantes como sustancias capaces de ligar fraguando y endureciendo conjuntamente con una variedad de otros materiales: los agregados, el agua y los aditivos, a fin de producir materiales de construcción básicos como son: el concreto o los morteros. Se denomina Conglomerantes Aéreos, a todos aquellos que presentan estabilidad al contacto con el aire, tales como: las cales y los yesos. Se denominan Conglomerantes Hidráulicos, aquellos cuyas propiedades se manifiestan tanto bajo agua como a la intemperie. Los conglomerantes hidráulicos deben sus propiedades a la composición química y a la finura que poseen. Por ello, es importante que estas dos características permanezcan estables, para así garantizar del cemento un comportamiento similar en cualquier lugar y tiempo en que sea utilizado.

Los conglomerantes más empleados para preparar morteros y concretos son la cal, el cemento portland y el cemento de mampostería, cuyas características quedan reseñadas en la Tabla Nº 3. Estas características corresponden a las especificadas por las normas nacionales. En todos los casos se hace referencia a las normas ASTM, validadas en el capítulo D.3 “Calidad de los Materiales en la Mampostería Estructural” de la NSR- 98.

2.2 LAS CALES ( )9

Se denomina cal al producto de la calcinación de la roca caliza. (CaCO3 > 90% de pureza) Dicha calcinación se efectúa entre los 900 a 1050°C y deja como producto un compuesto químico, oxido de calcio (CaO), cuyo nombre popular es cal viva. Al adicionarle agua a la cal viva hay una reacción de hidratación acompañada de un incremento de volumen (aproximadamente 3 veces) y una liberación de calor alta (280 cal/g) formándose la cal apagada o hidróxido de calcio. (Ca(OH)2) La cal viva tiene una gravedad especifica de 3.0 aproximadamente. Su densidad volumétrica o peso volumétrico es del orden de las 1.100 a 950 kg/m3. Dureza de 3 a 2 en la escala de Mohs. La cal apagada tiene una gravedad especifica de 2.3 a 2.4. Su densidad volumétrica es del orden de 400 a 641 kg/m3. La dureza es similar a la de la cal viva.

9 Bointon, R.,S., “Chemistry and Technology of Lime and Limestone”, 2ª Edición, John Wiley E Sons Inc., 1980.


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TABLA Nº 3: TIPOS DE CONGLOMERANTES REQUERIDOS PARA ELABORAR MORTEROS PARA USO EN MAMPOSTERÍA

CONGLOMERANTES NORMAS NATURALEZA INDICACIONES GENERALIDADES

CAL VIVA NTC 4046 (ASTM C-5)

Puede ser de origen cálcico o magnesiano. En ambos casos la suma de óxidos de calcio y magnesio será mínima del 95%. En el primer caso el contenido mínimo de oxido de calcio será de 70% y en el segundo caso, el contenido mínimo de óxido de magnesio será del 20%.

Despues de apagada, se prepara como una pasta, de una consistencia definida, a la cual se añade parte o toda la arena requerida por el mortero y se almacena mínimo 24 horas.

Esta especificación cubre toda clase de cal viva tales como: cal triturada, cal granulada, cal pulverizada, cal gruesa, todo para uso con propósitos de mampostería estructural.

CAL HIDRATADA NTC 4019 (ASTM C-207)

Las cales de origen dolomítico son aquellas que corresponden al tipo S. Las tipo N son netamente cálcicas. Para ambas, el residuo retenido sobre el tamiz Nº 30 no debe ser mayor al 0.5%.

Las cales tipo S, se diferencian de las tipo N por su capacidad para desarrollar alta y temprana plasticidad y alta retención de agua (≥ 85%). Debe emplearse como hidrato seco.

Para morteros de mampostería se emplea cal hidratada tipo S ó SA. Las cales tipo N ó NA se pueden permitir sí se demuestra, por pruebas, que no causan perjuicio a la sanidad del mortero.

CEMENTO PÓRTLAND

NTC 121 y NTC 321 (ASTM C-150)

Es un producto artificial de origen calcareo. Fundamentalmente se distinguen 6 tipos de cementos en la normativa Colombiana, siendo el más aplicado para mampostería el Tipo I.

Al definir las características y la durabilidad de la obra, es importante reconocer las propiedades del cemento a utilizar. El cemento no es un producto genérico

Es un cemento hidráulico que se produce por pulverización de clinker, constituido escencialmente de silicatos de calcio hidráulicos, y de yeso como regulador de fraguado.

CEMENTO ADICIONADO ASTM C-595

Sus constituyentes principales son: el clinker de cemento portland ó el cemento portland, la escoria siderúrgica vitrificada y las puzolanas naturales o artificiales como la ceniza volante.

Se reconocen 5 tipos de cementos adicionados:, algunos de los cuales pueden desarrollar resistencias tempranas a compresión mas aceleradas que los cementos portland convencionales.

Es un cemento que tiene dos o más constituyentes inorgánicos, uno de los cuales es cemento portland o clinker de cemento portland. Se elaboran por molienda conjunta o independiente.

CEMENTO DE MAMPOSTERÍA

NTC 4050 (ASTM C-91)

Se clasifican en Tipo N, S y M. El primero se emplea en la elaboración de morteros Tipo N de la norma NTC 3329 sin adiciones posteriores de cemento o cal y los morteros tipo S ó M cuando se le adiciona cemento según las especificaciones de dicha norma. Los otros dos tipos se emplean en la preparación de morteros tipo S y M respectivamente, sin adiciones posteriores de cemento o cal.

Es un cemento hidráulico para uso en mampostería y revoques, compuesto por cemento portland o cemento hidráulico adicionado, y materiales plastificantes (tales como caliza, cal hidratada) junto con otros materiales introducidos para mejorar propiedades como tiempo de fraguado, retención de agua, trabajabilidad y durabilidad.


Como material de construcción es uno de los más viejos en el mundo y se conoce desde el año 4000 a.c. Tiene múltiples usos tales como:

• LADRILLOS SILICO - CALCÁREOS

Ampliamente utilizados en Europa como unidades de mampostería en la construcción. Es una mezcla del 7 al 10% de cal y el resto de arena de cuarzo bien gradada, se le añade agua se moldea la mezcla a alta presión y el ladrillo obtenido en verde se trata en un autoclave a una presión y temperatura definidas. La resistencia promedio alcanzada con este material está entre 200 y 400 kg/cm2. En Alemania Federal hay 150 plantas que produjeron en 1970 entre 6 a 8 billones de ladrillos y otras piezas.

• PARA PRODUCIR MORTEROS DE MAMPOSTERÍA

Ha sido el uso por excelencia de la cal a través de la historia de la civilización. Como monumentos vigentes esta la gran muralla china, la vía Apia, etc. Los romanos encontraron que la mezcla de cal - puzolana desarrollaba propiedades hidráulicas y con ello ampliaron el panorama de uso como material de construcción al campo de las vías, prefabricados y algunos tipos de concretos. La cal para morteros debe ser hidratada a fin de conseguir las mejores ventajas de plasticidad.

En general los morteros que contienen sólo cemento son poco plásticos y de baja o nula retención de agua por lo que los bloques, ladrillos u otros elementos de mampostería, sí no se encuentran saturados de agua, la succionan del mortero afectando notoriamente las propiedades del mismo.

La adición de cal en la preparación de morteros de cemento, permite obtener las siguientes ventajas:

Plasticidad y trabajabilidad Alta retención de agua Alta capacidad de uso de arena en el mortero. Con lo que se rebajan costos. Más flexibilidad bajo carga Buena resistencia de enlace (adherencia) Menos eflorescencia Fácil coloreado Facilidad al retemplado Autocicatrización

Los morteros de cal no alcanzan las mismas resistencias mecánicas a compresión que los morteros de cemento, pero desarrollan propiedades adicionales que los mejoran en la mayoría de los casos. A su vez se consiguen rebajar los costos de obra al emplear menores cantidades de cemento, y permiten mayores facilidades en la aplicación que se traducen en menor tiempo de ejecución. En la Tabla Nº 4, se

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presenta un resumen de las especificaciones NTC 3329 (ASTM C270): “Morteros para Mampostería”.

TABLA Nº 4: RESUMEN DE LAS ESPECIFICACIONES PARA MORTEROS DE MAMPOSTERÍA, SEGÚN LA NTC 3329

Partes por Volumen Tipo de Mortero

Retención de agua. (mín.) %

f’c del mortero (mín.) psi (Mpa) Cemento

Portland Cal

Hidratada Arena

O 75 350 (2.4) 1 1¼ a 2½

N 75 750 (5.2) 1 ½ a 1¼

S 75 1800 (12.4) 1 ¼ a ½

M 75 2500 (17.2) 1 ¼

No menos que 2.25 y no más que 3 veces la suma de los volúmenes separados de cemento y cal hidratada

La aplicación de esta especificación en Colombia no conduce necesariamente a la misma calidad de resistencia mecánica ahí estipuladas, pues las características físicas y químicas del cemento, la cal y la arena afectan a esta propiedad y a otras más, tales como: plasticidad, impermeabilidad y retención de agua. Es necesario desarrollar investigaciones en este sentido, tal que se pueda en un futuro establecer una norma y un método de proporcionamiento de mezclas confiable con base en cal.

• OTROS USOS DE LA CAL EN LA CONSTRUCCIÓN

Mezclas cal - puzolanas para prefabricación: bloques, adoquines, etc. Repellos y estucos, combinada con otros productos Estabilización de suelos en construcción de vías

2.3 EL CEMENTO PORTLAND ( ), ( ) 10 11

En Colombia las normas sobre cementos son: cemento portland NTC 121 y NTC 321 (ASTM C150), cemento adicionado ASTM C595 y cemento de mampostería NTC 4050 (ASTM C-91). En la tabla Nº 2 se presenta un resumen de estas normas.

El cemento hidráulico está definido por la norma ASTM C 219, como un cemento que fragua y endurece por interacción química con el agua y que es capaz de hacerlo bajo la misma. El cemento Pórtland es el cemento hidráulico más importante. Se obtiene por la pulverización del clinker, que contiene esencialmente

10 A. Salazar "Aspectos que el Ingeniero debe conocer acerca del Cemento para realizar una obra de Concreto", Continuar, 1984..

11 Salazar, A., “"Materiales para el Concreto", Libro, Oficina de Publicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, 1991. 4º edición.

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silicatos de calcio hidráulicos, generalmente mediante una molienda íntima con pequeñas cantidades de sulfato de calcio dihidratado (yeso) el cual se emplea para controlar las velocidades de reacción. El clinker se fabrica a temperatura elevada (1450 ºC) en un horno al que se le introduce una mezcla molida y homogenea de minerales de origen natural (compuesta mayoritariamente por caliza y arcilla), que se transforma en nuevos minerales que tienen propiedades hidráulicas. Los cuatro óxidos o componentes principales se expresan de forma simplificada así:

CaO (Oxido de Calcio) = C SiO2 (Oxido de Silicio) = S Al2O3 (Oxido de Aluminio) = A Fe2O3 (Oxido de Hierro) = F

En la formación del clinker ocurren las siguientes reacciones químicas:

4C + A + F C4AF (1) Ferrito Aluminato tetracálcico 3C + A C3A (2) Aluminato tricálcico (CELITA) 2C + S C2S (3) Silicato bicálcico (BELITA) C2S + C C3S (4) Silicato tricálcico (ALITA)

Estos cuatro compuestos se denominan componentes mineralógicos del clinker de cemento y la mayor o menor presencia de cada uno de ellos en el conglomerante, determinará las propiedades químicas, físicas y mecánicas del mismo. En la tabla Nº 5 se dan los límites de composición química del cemento Pórtland.

TABLA Nº 5: LÍMITES DE COMPOSICIÓN PARA EL CEMENTO PORTLAND

ELEMENTOS EXPRESADOS COMO ÓXIDOS CONTENIDO (%)

CaO 60.0 – 67.0

SiO2 17.0 – 25.0

Al2O3 3.0 – 8.0

Fe2O3 0.5 – 6.0

MgO 0.1 – 4.0

Álcalis 0.2 – 1.3

SO3 1.0 – 3.0

Hay otros elementos (secundarios) que están presentes en pequeñas cantidades, que alcanzan una importancia considerable. Los elementos secundarios del clinker o del cemento Pórtland son:

Pérdida al fuego (P.F.), equivale a H2O, CO2, materia orgánica Residuo insoluble (R.I.) Oxido de magnesio (MgO) Sulfatos (SO3)

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Álcalis: óxido de sodio (Na2O) y óxido de potasio (K2O) Cal libre (CaOlibre)

Las propiedades de los cuatro componentes mineralógicos cuando reaccionan con el agua, se pueden resumir así:

2.3.1 SILICATO TRICÁLCICO (C3S)

Desarrolla altos calores de hidratación (120 cal/g)

Genera elevadas resistencia a corto plazo

Libera abundante cal como hidróxido de calcio (13,0 % de su peso en 30 días como Ca(OH)2)

Los cementos ricos en C3S, con contenidos entre el 45 y el 60% de este componente, desarrollan grandes cantidades de calor; por lo tanto en las obras cuyos consumos de cemento superen los 350 kg/m3 de concreto o trabajen grandes volúmenes de concreto con baja relación de superficie a volumen, tendrán un excesivo calentamiento, tal que al recibir un choque térmico (una noche fría) darán lugar a fisuras y grietas a causa de una contracción térmica.

También hay que considerar, que un fuerte calentamiento generará una evaporación del agua de la masa del concreto y por ende una autodesecación. Como consecuencia se puede presentar una contracción hidráulica que sumada a la contracción térmica dará como resultado un incremento de la fisuración y del agrietamiento. La contracción hidráulica se puede evitar con un buen curado.

En climas calientes o en construcciones que empleen masivamente al concreto, como las represas, no se recomienda utilizar cemento rico en C3S. Por el contrario, por su rápido desarrollo de resistencia, son estos los cementos adecuados para la industria de los prefabricdos o para realizar desencofrados rápidos.

La cal que se libera en la hidratación del C3S tiene el inconveniente de ser soluble en contacto con el agua y aún de ser atacable por las substancias que éstas puedan Ilevar, como ocurre con el agua de mar, las aguas puras o las aguas ácidas. Un concreto elaborado con base en cemento rico en C3S que permanece sumergido o en contacto intermitente con dichas aguas, tendrá una baja o corta durabilidad respecto a un concreto elaborado con cemento de menor contenido de C3S, siempre y cuando el concreto preparado sea permeable

Así mismo, los altos contenidos de C3S ejercen una protección de los aceros de refuerzo, (pasivación), retardando o evitando la corrosiónββ.

2.3.2 SILICATO BICÁLCICO (βC2S)

Desarrolla menor calor de hidratación que el C3S (62 cal/g)

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Genera la resistencia a largo plazo. Casi tan elevadas como las generadas por el C3S

Libera baja cantidad de cal. (1,18 % de su peso en 30 días como Ca(OH)2)

Es el constituyente de los cementos y de los concreto de endurecimiento lento, generadores de baja liberación de calor. Son los más apropiados para usar en construcciones masivas y climas cálidos.

El C3S y el C2S se complementan o conjugan de tal manera que al crecer uno disminuye el otro. La suma de los dos en un cemento portland debe estar entre el 70 y el 75% de la composición del cemento. Defectos de esta suma, generan un cemento de mala calidad en el aspecto resistente. En la tabla Nº 6, se da el siguiente ejemplo práctico, de las pocas o muchas ventajas para emplear un cemento sin adición, rico o pobre en C3S o βC2S. En esta tabla como en las siguientes se representan con signo (+) las características positivas o favorables y con signo (-) las desfavorables o negativas. El doble signo (±), que afecta al calor de hidratación, indica una situación ambivalente, pues, tanto un calor alto como uno bajo pueden ser favorables como desfavorables, en función de las circunstancias (hormigonado en tiempo frío, prefabricación, hormigonado en tiempo caliente y seco, grandes masas de concreto, etc.)

TABLA Nº 6: EJEMPLO PRÁCTICO DEL IMPACTO DE LA PARTICIPACIÓN DE LOS SILICATOS DE CÁLCIO EN LAS PROPIEDADES DEL CEMENTO

LOS CEMENTOS PORTLAND Ricos en C3S: 65% Pobres en β C2S: 20%

Pobres en C3S: 45% Ricos en β C2S: 40%

Son: (+) más resistentes sobre todo a edades

cortas (-) menos resistentes sobre todo a

edades cortas

(+) más protectores de armaduras (-) menos protectores de armaduras

(-) menos estables (más retráctiles y fisurables)

(+) más estables (menos retráctiles y fisurables)

(-) menos durables (más químicamente atacables)

(+) más durables (menos químicamente atacables)

(±) de mayor calor de hidratación (±) de menor calor de hidratación

2.3.3 ALUMINATO TRICÁLCICO (C3A)

Tiene una gran velocidad de hidratación y desarrolla alto calor de hidratación (207 cal/g)

Colabora moderadamente al desarrollo de la resistencia.

No libera CaI, como Ca(OH)2, aI hidratarse. Por el contrario fija en alguna proporción la cal liberada por los dos silicatos.

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Tiene gran sensibilidad a los sulfatos. Genera al reaccionar con ellos productos expansivos destructores del concreto.

Es el responsable del fraguado de los cementos.

En la preparación de concretos para obras sometidas a medios agresivos o de grandes masas, se restringe su presencia por su debilidad ante los ataques, por su tendencia a la retracción sí el contenido de yeso no es el apropiado y por la expansión que genera al reaccionar con los sulfatos presentes en el ambiente, posterior al endurecimiento del concreto.

2.3.4 FERRITO ALUMINATO TETRACÁLCICO (C4FA)

Tiene una lenta velocidad de hidratación y genera bajo calor de hidratación. (100 cal/g)

No contribuye a la generación de resistencias. No libera cal. Posee buena durabilidad frente a los sulfatos.

Como se observa el C4AF es el inverso en comportamiento al C3A y por tanto son constituyentes conjugados como los silicatos. Su suma está entre el 20 y el 25% del total de compuestos potenciales del cemento. En la tabla Nº 7 se presenta un ejemplo práctico, sobre las ventajas o desventajas de emplear cementos sin adiciones, ricos en C3A o C4FA.

TABLA Nº 7: EJEMPLO PRÁCTICO DEL IMPACTO DE LA PARTICIPACIÓN DEL C4AF Y EL C3A EN LAS PROPIEDADES DEL CEMENTO

LOS CEMENTOS PORTLAND Ricos en C3A 15% Pobres en C4AF 6%

Pobres en C3A 5% Ricos en C4AF 16%

Son: (-) menos estables (más retráctiles y

fisurables) (+) más estables (menos retráctiles y

fisurables)

(-) menos durables (más químicamente atacables)

(+) más durables (menos químicamente atacables)

(+) más resistentes (-) menos resistentes

(±) de mayor calor de hidratación (±) de menor calor de hidratación

En la tabla Nº 8 se muestra un ejemplo práctico del comportamiento conjunto de los componentes potenciales del cemento y su impacto en las propiedades del mismo.

TABLA Nº 8: EJEMPLO PRÁCTICO DEL IMPACTO DE LA PARTICIPACIÓN DEL C3S, C2S, C4AF Y EL C3A EN LAS PROPIEDADES DEL CEMENTO

LOS CEMENTOS PORTLAND

Ricos en C3S 60% Pobres en C3S 45%

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(Pobres en βC2S 20%) Ricos en C3A 12%

(Pobres en C4AF 6%)

(Ricos en βC2 S 35%) Pobres en C3A 5%

(Ricos en C4AF 12%) Son:

(+) mucho más resistentes sobre todo a las primeras edades

(-) mucho menos resistentes sobre todo a las primeras edades

(-) mucho menos estables y durables (+) mucho más estables y durables

(±) de mucho mayor calor de hidratación (±) de mucho menor calor de hidratación

En la tabla Nº 9 se muestra un resumen del comportamiento de los constituyentes principales del cemento Pórtland.

TABLA Nº 9: COMPORTAMIENTO DE LOS CONSTITUYENTES POTENCIALES DEL CEMENTO PORTLAND.

CONSTITUYENTE VELOCIDAD

DE HIDRATACION

CALOR DE HIDRATACION

DESARROLLO DE

RESISTENCIA

DURABILIDAD QUIMICA

Silicato Tricalcico (C3S) Grande

Grande y rápido. 120

cal/g.

Rápido inicialmente y

prolongado Pequeña

β Silicato Bicálcico (βC2S) Pequeña Pequeño y

lento. 62 cal/g.

Lento inicialmente y

muy prolongado

Intermedia

Aluminato Tricalcico (C3A) Muy grande

Muy grande y rápido. 207

cal/g.

Muy rápido y de corta duración

Muy pequeña

Ferritoaluminato Tetracálcico (C4AF)

Grande Moderado y lento. 100 cal/g.

Lento y poco significativo Grande

La calidad química de un cemento refleja claramente las propiedades del mismo. El productor debe ofrecer un producto de composición certificada y el usuario debe conocer estos aspectos químicos para utilizar el producto idóneo a las características de la obra. Si el productor de cemento no puede satisfacer la exigencia del cliente, este deberá tomar los cuidados necesarios para que la ejecución de la obra con el cemento disponible cumpla las condiciones exigidas por la obra.

El cemento Pórtland producido en Colombia corresponde generalmente al tipo I, aunque algunas fabricas producen el tipo IM, el tipo III y el tipo V. Las especificaciones físicas y químicas se encuentran en las Normas NTC 121 y 321. En la tabla Nº 10 se resumen estas especificaciones.

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TABLA Nº 10: RESUMEN DE ESPECIFICACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS CEMENTOS. NORMAS NTC 121 Y 321

Tipo I Tipo I M Tipo III Tipo V

Superficie específica en m2/g. Blaine. (Valor promedio mín.) 280.0 280.0 - 280

Expansión en Autoclave máx. (%) 0.8 0.8 0.8 0.8

Tiempo de fraguado (Aguja Vicat).

Tiempo inicial: (min.)

Tiempo final: (hr.)

45

8.0

45

8.0

45

8.0

45

8.0

Resistencias a la compresión mín. MPa. (kg/cm2).

1 día

3 días

7 días

28 días

-

0.8 (80)

15.0 (150)

24.0 (240)

-

12.5 (125)

19.5 (195)

*28.0 (280)

10.0 (100)

21.0 (210)

-

-

-

8.5 (85)

15.5 (155)

21.0 (210)

Oxido de Magnesio (MgO) max.% 7.0 7.0 7.0

Trióxido de Azufre (SO3) max.% 3.5 3.5 4.5

Pérdida al fuego max.% - 5.0 4.0

Residuo insoluble max.% - 4.0 3.0

(*) requisito físico opcional.

Como las propiedades de los cementos dependen fundamentalmente del contenido en silicatos de calcio y en general, de los cuatro componentes potenciales, las proporciones de estos en los cementos comerciales y sus relaciones con algunas propiedades se muestran en las tablas Nº 11, 12, 13.

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TABLA Nº 11: COMPOSICIONES TIPÍCAS DE LOS CEMENTOS PORTLAND

Tipos de Cemento Portland Composición (%) Finura Designación C3S C2S C3A C4AF cm2/gr(blaine)

I Normal 50 24 11 8 3.000

II Moderado Calor de Hidratación 45 33 5 13 3.000

III Rápido Endurecimiento 60 13 9 8 4.000

IV Bajo calor de Hidratación 26 50 5 12 3.200

V Resistente a los Sulfatos 40 40 4 9 3.200

TABLA Nº 12: RESISTENCIAS RELATIVAS APROXIMADAS DEL CONCRETO SEGUN EL TIPO DE CEMENTO.

Tipos de Cemento Portland % de la Resistencia en relación con el cemento tipo I

TIPO Designación 1 día 7 días 28 días 3 meses

I Normal 100 100 100 100

II Moderado Calor de Hidratación. 75 85 90 100

III Rápido endurecimiento 190 120 110 100

IV Bajo calor de hidratación 55 55 75 100

V Resistente a los Sulfatos 65 75 85 100

TABLA Nº 13: CALOR DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO (kcal/kg) a 18°C

D Í A S TIPOS DE CEMENTO PORTLAND

1 2 3 5 7

I Normal 50 65 70 75 77

III Rápido endurecimiento 70 85 90 92 95

- Rico en Aluminato Tricálcico (AC3) 100 105 107 108 109

2.3.5 CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN POTENCIAL DE LOS CEMENTOS

El análisis químico del cemento presentado como porcentaje de óxidos, tiene poco significado en términos de propiedades del cemento, pues son los compuestos formados durante el proceso de fabricación por la interacción de los óxidos mencionados, los que son responsables del fraguado y desarrollo de la resistencia en el cemento hidratado.

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Se puede considerar que el cemento se encuentra en un equilibrio congelado, asumiendo que los productos enfriados reproducen el equilibrio existente a la temperatura de clinkerización. Lo mismo se supone cuando se hace el cálculo de la composición de los cementos comerciales: la composición "potencial" se calcula de las cantidades medidas de óxidos contenidos en el clinker como si se hubieran llevado a Cabo la cristalización completa de los productos de equilibrio.

El calculo de la composición "potencial" del Cemento Portland está basado en el trabajo de R.H. Bogue. En la derivación de las ecuaciones se asumió lo siguiente:

a. No hay vidrios presentes (materiales no cristalinos)

b. Todo el SO3 se combina como CaSO4

c. Todo el Fe2O3 y el Al203 se combina como C4AF y C3A.

d. Todo el calcio (CaO), excepto aquel que existe en estado libre y el combinado como CaSO4, C4AF y CA, se combina con todo el silicio (SiO2) para formar una mezcla de C3S y C2S.

Las ecuaciones basadas en estas asunciones y en las proporciones de combinación de los óxidos en los compuestos del cemento, pueden escribirse de la siguiente manera:

FORMULAS DE BOGUE

SC3 = 4.07 CaO - 7.60 SiO2 - 6.72 AL2O3 – 1.43 Fe2O3 - 2.85 SO3

SC2 = 2.87 SiO2 - 0.75 SC3

AC3 = 2.65 Al2O3 - 1.69 Fe2 O3

FAC4 = 3.04 Fe2O3

Siempre deberá restarse la cal libre para conoce el CaO a ser empleado en las fórmulas anteriores.

CaO = CaO (total) - CaO (libre)

Estas fórmulas deberán emplearse siempre y cuando el cemento analizado corresponda a un cemento producido a partir de clínker de cemento Portland óptimo y yeso puro. Cuando hay presencia de impurezas en el cemento analizado, evaluarlo sobre la composición potencial puede generar notables errores. Es importante que el fabricante reporte la calidad de su cemento en cuanto a sus componentes potenciales según el clinker empleado y anuncie además las impurezas activas o no, que está adicionando.

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2.3.6 OTROS CONSTITUYENTES DEL CEMENTO PORTLAND

Existen otros constituyentes importantes para definir la pureza y la calidad del cemento y tienen gran relevancia. Una breve descripción de ellos se presenta a continuación:

Cal Libre (CaO(libre)). Su hidratación es expansiva, genera un incremento de casi 3 veces el volumen inicial. Ocasiona cuarteamiento superficial del concreto e incluso el debilitamiento y destrucción de éste. El máximo aceptado como no pernicioso es el 2%. Las normas internacionales han prescindido de establecer un Iímite máximo, debido a la alta tecnificación que la industria del cemento ha alcanzado, garantizándose en la mayoría de los casos la no presencia de un porcentaje mayor a éste. Cuando ocasionalmente así ocurre, en las fábricas dejan reposar al cemento eliminándose el potencial peligro. En la mayoría de los países se exige que se despache cemento certificado, por ello se expende a los tres días de producido a fin de conocer con certeza sus propiedades físicas y químicas. En Colombia, no todas las fábricas cuentan con tan buena tecnología como para garantizar que la cal libre está dentro de los limites máximos, más aún cuando hay que consumir la mayoría de las veces el cemento caliente sin existir el reposo requerido. Así, la Norma Colombiana debió mantener el valor máximo del 2% hasta comprobar lo contrario.

♦ Existe una prueba normalizada, como es el ensayo del autoclave, que permite determinar la capacidad de expansión de un cemento en 29 horas. Dicha prueba ha sido cuestionada, aunque con buenos criterios de interpretación, es aceptable.

♦ La hidratación de la cal va acompañada de una fuerte liberación de calor. Su velocidad de hidratación es lenta debido a las altas temperaturas de calcinación para producir el clinker de cemento.

♦ La cal libre se deja atacar por el agua pura, ácida o carbonatada

♦ Desde otro aspecto, la cal incrementa la protección de los aceros contra la corrosión.

Oxido de Magnesio (MgO). Su hidratación es expansiva como la de la cal libre, aunque se presenta a plazos muy largos, por lo que se considera mucho más nociva. El límite máximo permisible es del 5%. Se prueba físicamente mediante el ensayo del autoclave.

Compuestos Alcalinos (K20 y Na2O). Al estar presentes en el cemento, le confieren una potencial reactividad frente a algunos agregados de origen silicico, activados naturalmente: los ópalos, las pumicitas, las rocas con aptitud puzolánica. Los cementos los contienen por aportes de las materias primas. Se alcanzan concentraciones indeseables, cuando no se controla el ciclo de álcalis en los hornos de cemento que reciclan los polvos recuperados de los gases de combustión. Afectan la estabilidad volumétrica y la durabilidad de los concreto, por la generación de silicatos alcalinos de gran poder expansivo, que perjudican en primera instancia la adherencia de los agregados con la pasta y

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posteriormente generan fisuramiento y destrucción total del concreto. Se acepta internacionalmente un contenido máximo, como Na2O equivalente, del 0.6%.

Contenido de yeso expresado como SO3. El papel fundamental del yeso en el cemento es el de servir de retardador de fraguado impidiendo que el C3A se hidrate rápidamente dando como consecuencia un fraguado relámpago. La cantidad de yeso o SO3 se relaciona con la calidad del cemento así:

♦ A mayor contenido de C3A se requiere más SO3

♦ A mayor finura se requiere más SO3

♦ A mayor contenido de álcalis se requiere más SO3

Así es posible obtener las mejores características del cemento en cuanto a:

♦ Estabilidad de volumen

♦ Resistencias

♦ DurabiIidad.

Cuando se adicionan excesos de sulfatos al clinker, se presenta una expansión destructiva de la pasta fraguada de cemento. El contenido óptimo de yeso se determina midiendo la generación de calor de hidratación. Generalmente el máximo inmediato en la velocidad de desarrollo del calor va seguido de otro máximo que se presenta de 4 a 8 horas después de elaborada la mezcla. Con la cantidad correcta de yeso queda poco C3A libre para la reacción después de haberse combinado todo el yeso y por lo tanto no habrá ningún otro máximo en la liberación de calor.

Cuando el terreno donde se va a construir o el agua en que se va a sumergir una obra, contiene sulfatos en exceso, hay necesidad de emplear cementos resistentes a éstos o sea, con muy bajo contenido de C3A. Estos son el cemento Portland tipo V de la Norma ASTM o ICONTEC.

En Colombia se permite hasta un contenido máximo del 3.5% de SO3, lo que contrasta con la especificación ASTM que acepta ese valor cuando el contenido de C3A es mayor al 8%. Los cementos Portland Colombianos presentan contenidos de C3A altos, por lo que se deben tomar las precauciones que ello exige según lo referido hasta ahora.

Residuo Insoluble. Es un indicador del grado de impurezas del cemento. Generalmente significa que el yeso empleado es muy impuro. Cuando el clinker de cemento lo contiene en proporciones altas significa que la estequiometría de las reacciones controladas en el horno, no se está cumpliendo. Cuando se adicionan puzolanas en la molienda el residuo insoluble crece. La Norma NTC 321 no fija límite para el tipo I y fija el 4% como máximo para el IM. La Norma ASTM permite un máximo del 0.75% para cualquier tipo de cemento Pórtland.

Pérdida al Fuego. Indica el grado de prehidratación o carbonatación que se puede producir por un almacenamiento incorrecto. Es índice del envejecimiento

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del cemento. Permite detectar la adición de caliza como un "filler" del cemento. La Norma NTC no fija límite para el Tipo I y establece un máximo del 5% para el Tipo IM. La Norma ASTM permite un máximo del 3%. En el mundo en general ha habido tendencia a incrementar este valor fundamentalmente para permitir la adición de caliza que trae ventajas en reducción del consumo de energía para molienda. Debe cuidarse mucho esta práctica pues su bondad última depende de la calidad del clinker empleado.

2.3.7 LA FINURA DEL CEMENTO

La velocidad de hidratación de los cementos se ve influenciada notablemente por la finura de éstos. A mayor finura, mayor es la superficie que se ofrece a ser hidratada por el agua de amasado y consecuentemente mayor es la formación de "gel de cemento", responsable del endurecimiento del mismo. Así pues, a mayor finura mayor resistencia inicial y mayor impermeabilidad pero también se incrementa el grado de retracción y la liberación del calor de hidratación. Entre más fino sea un cemento se requiere un contenido de yeso mayor para garantizar una regulación de fraguado adecuada. En el concreto se consigue una alta temperatura, las retracciones térmicas e hidráulicas se incrementan y con ello el riesgo de fisuración y corrosión de armaduras.

Algunos investigadores han demostrado que los granos de 7µ contribuyen al desarrollo de la resistencia de 1 a 2 días y los granos de hasta 24µ aportan al desarrollo de la resistencia a 7 días. Los granos mayores de 50µ contribuyen sólo en forma muy pequeña puesto que el núcleo de estos granos gruesos hidrata muy tarde. La hidratación alcanza a los 28 días una profundidad del orden de 5µ desde la superficie de los granos.

Para mejorar la calidad de un cemento, habría que incrementar el contenido en C3S antes de intentarlo mediante el aumento de la finura de molienda. Al darse esta última solución, el productor debería informar sobre la finura del cemento para que el usuario tome las precauciones para hacer una óptima aplicación del producto.

Desde otro punto de vista, los cementos muy finos atrapan mucho aire y su peso volumétrico Ilega a ser menor de 1.0 ton/m3. Son muy higroscópicos y envejecen rápidamente. Por ello las normas de cemento establecen unas especificaciones mínimas y máximas válidas para evitar los problemas de los excesos de finura. La Norma NTC 121 fija unos valores mínimos promedio de 280 m2/kg similar a las Normas ASTM, para el ensayo de superficie especifica. (Blaine) En Colombia para algunos cementos se han medido superficies específicas (Blaine) de hasta 420 m2/kg. Algunos de estos cementos finos se encuentran adicionados con puzolanas o calizas, con lo que la finura obtenida puede ser aparente puesto que estas adiciones poseen por lo general mayor aptitud a la molienda que los clinkeres mismos. Así, las adiciones quedan más finas respecto del clinker y le dan al conjunto una finura que no produce los efectos que las altas finuras ocasionan al cemento sin adición.

A. Salazar 40


2.3.8 LA HIDRATACIÓN DEL CEMENTO

Cuando se mezcla el cemento con el agua, sus componentes mineralógicos: C3S, ßC2S, C3A y C4AF que corresponden a sales minerales, amorfas, anhidras e inestables, reaccionan con ella generando unos productos de hidratación estables e irreversibles. Lo que se produce es una cristalización en forma de agujas mas o menos entrelazadas que dan origen a los procesos de fraguado y endurecimiento.

Es así como las reacciones de hidratación consisten en la formación de productos, cristalinos algunos y amorfos otros (geles), que por su estructura física y la trabazón que generan en una retícula plástica de partículas de cemento en agua, son responsables de las propiedades fisico-químicas del cemento Portland: resistencia mecánicas, estabilidad de volumen unida al efecto térmico y la estabilidad química o durabilidad frente a diferentes ambientes de uso.

Estos productos hidratados son los componentes de la pasta de cemento que envuelve a los agregados y una vez fraguada y endurecida conforma así al concreto. La velocidad de hidratación depende de la composición química y mineralógica, de la finura, de la temperatura de endurecimiento, de la relación agua/cemento y de otra serie de factores. El aluminato tricálcico - C3A - es de todos los minerales del clinker el que más rápido se hidrata y le siguen en su orden el ferrito aluminato tetracálcico, el silicato tricálcico y finalmente el silicato bicálcico.

Un cemento portland de composición mineralógica media, fija en condiciones normales y al cabo de 28 días de endurecimiento alrededor de un 17% de su peso en agua, al cabo de 3 meses el 20% y por hidratación completa alrededor del 25%. Una elevación de temperatura acelera la fijación de agua y una disminución la retarda.

En general y de forma aproximada, se estima que los silicatos tricálcicos y bicálcicos reaccionan con el agua formando:

Un silicato de calcio hidratado denominado TOBERMORITA responsable del desarrollo de las propiedades resistentes de la pasta endurecida de cemento portland contenidas en los concreto y morteros.

Un hidróxido de calcio denominado PORTLANDITA.

Las reacciones químicas de hidratación que representan lo expresado, pueden escribirse así:

2C3S + 6H S2C3H3 + 3CH 2ßC2S + 4H S2C3H3 + CH Tobermorita Portlandita Nota: H = H20; CH = Ca(OH)2

Por sus propiedades de gel se denomina gel de tobermorita. Es el constituyente más importante del cemento y desempeña un papel fundamental en:

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Las propiedades reológicas de la pasta fresca de cemento portland.

El fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento portland.

En el desarrollo de las propiedades mecánicas de la pasta.

En la estabilidad dimensional de la pasta y del concreto endurecido.

Estas reacciones de hidratación van acompañadas de un desprendimiento de calor importante, cuyo efecto y estudio se tratará posteriormente.

El gel de Tobermorita y el hidróxido de calcio – Portlandita - no son los únicos productos de la hidratación del cemento portland. También los aluminatos tricálcicos (C3A) y los ferritoaluminatos tetracálcicos (C4AF) participan en la hidratación. Las reacciones químicas a que dan lugar se pueden representar así: (no son estequeométricas)

a. El aluminato tricálcico se combina con el yeso (SO4Ca.2H2O) en medio básico de Ca(OH)2 formando Ettringita. Su presencia va acompañada de una expansión de volumen.

C3A + 3SO4Ca. 2H20 + 26H C3A.3SO4Ca.32H2O (Ettringita)

b. Los aluminatos restantes, que no han reaccionado con el yeso, se hidratan en un medio básico de Ca(OH)2 en una forma hexagonal inestable.

C3A+ CH + (x-1) H C4A Hx (hexagonal)

c. El aluminato cálcico hidratado (C4AHx) reacciona con la ettringita (C3A.3SO4Ca.32H2O) para producir un monosulfoaluminato cálcico. Esta se verifica con una ligera disminución de volumen y desprendimiento de humedad.

C4 A H13+ C3A.3SO4Ca.32H2O C3 A.SO4Ca.12H2O + H2O

d. La reacción de hidratación de los ferrito aluminatos tetracálcicos transcurre en ausencia de sulfatos o después de haberse agotado y se podría esbozar así:

C4AF + 4CH + 22H C4A H13 + C4F H13

hexagonales inestables.

Estos compuestos reaccionan con la ettringita formando el monosulfoaluminato y monosulfoferrito de calcio.

El aluminato tricálcico es el primer componente del cemento en reaccionar, con el agua; por la rapidez de su hidratación se requiere la adición del yeso como regulador de fraguado, haciendo posible el uso del cemento como material.

El esquema sintetizado del proceso de hidratación es:

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Período en que se produce la hidratación desde el amasado.

( 1 ) C3A + Yeso + Agua Ettringita 1 - 2 horas ( 2 ) C3A + Agua Aluminato hidratado 2 - 5 horas ( 3 ) C3S + Agua Tobermorita + Portlandita 6 - 10 horas Fase CSH Ca (OH)2

( 4 ) C2S + Agua Tobermorita + Portlandita 8 - 15 horas Fase CSH Ca (OH)2

Cuando en el concreto endurecido se presenta la formación de Ettringita se crean tensiones internas y se forman fisuras, por que el volumen de ésta es superior al del aluminato tricálcico hidratado y al del yeso que capta para formar este nuevo compuesto.

En la figura Nº 7 se presenta un esquema que muestra lo expresado en este aparte.

2.3.9 PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS CEMENTOS HIDRATADOS

Tecnológicamente en los cementos hidratados se aprecian tres propiedades fundamentales: fraguado, estabilidad de volumen, calor de hidratación y resistencia mecánica. A continuación se presenta un breve análisis de éstas propiedades.

• FRAGUADO

Se denomina fraguado al período que entre el momento en que se combinaron los materiales, Integrantes de una pasta, mortero u concreto y la pérdida de plasticidad de la mezcla. En términos prácticos este período está entre 1½ a 2½ horas. Al ponerse en contacto íntimo al cemento con el agua se inician una serie de reacciones, que ocurren por disolución y precipitación, dando lugar a la formación de unos productos sólidos hidratados que conducen al denominado final de fraguado, en donde resulta una pasta cuajada - congelada a partir de la cual se consolida el armazón del sólido global que terminará endureciendo con el correr del tiempo. Los factores que afectan el fraguado están en función de:

La cantidad de agua. A mayor agua mayor tiempo de fraguado.

La temperatura del medio. A mayor temperatura menor tiempo de fraguado y viceversa. Igual ocurre con la temperatura del cemento o del mortero o del concreto.

La finura del cemento. A mayor finura menor tiempo de fraguado.

A. Salazar 43


CEMENTO PORTLAND

CLINKER YESO

Silicatos deCalcio

C3S = 45 a 70 %C2S = 15 a 35 %

Aluminato deCalcio

C3A = 0 a 15 %

FerritoAluminato

TetracálcicoC4AF = 3 a 15 %

Cal Libre< 1.5 %

+

AGUA

REACCIONES DE HIDRATACIÓN

Silicatos deCálcio

Hidratados3CaO.2SiO2.3H2O

Hidróxidode Cálcio

Ca(OH)2

Aluminato deCálcio

Hidratado3CaO.Al2O3.6H2O

Aluminatos yFerritos de Cálcio

Hidratados3CaO.Al2O3.6H2O

+CaO.Fe 2O3.nH2O


Ca(OH)2

3CaO.Al2O3.6H2O 3CaSO4.2H2O

TOBERMORITA PORTLANDITA Alum inatos deCálcio Hidratados

Fe rritos de CálcioHidratados

ETTRINGITA3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O

Parte

FIGURA Nº 7: COMPONENTES MINERALÓGICOS DEL CEMENTO Y SUS REACCIONES DE HIDRATACIÓN

La vejez del cemento incrementa el tiempo de fraguado.

El ambiente. A mayor humedad relativa mayor tiempo de fraguado.

El contenido de C3A y SO3.

La presencia de sustancias orgánicas retardan y pueden IIegar a inhibir eI fraguado como por ejemplo, los azúcares, lignitos, etc. Muchas veces los agregados de río traen dichas sustancias.

A. Salazar 44


El fraguado no debe confundirse con el endurecimiento, pues este último aspecto tiene que ver con el incremento de resistencia desarrollado en una pasta fraguada.

El mecanismo del fraguado parece obedecer a las distintas velocidades de hidratación que ofrecen los cuatro componentes básicos del cemento, siendo el aluminato tricálcico - C3A - el de mayor velocidad de reacción con el agua, que de no mediar la presencia del yeso, conduciría a un "fraguado rápido". La formación de la ettringita permite que sea el silicato tricálcico el primer compuesto de carácter hidráulico en reaccionar, una vez la capa de etringita formada alrededor de los componentes básicos del clinker se ha solubilizado. Ese tiempo de solubilización genera un período en el cual parecería que no se producen reacciones químicas y solo se dan diluciones e incrementos de finura de las partículas del cemento,

Lo anterior vale la pena tenerlo en cuenta cuando se presentan en las obras cementos de fraguado rápido por carencia de yeso o por altas temperaturas, pues pueden generar concreto de baja calidad resistente. Un cemento de fraguado rápido se caracteriza porque su reacción va acompañado de una liberación de calor que eleva la temperatura de la masa del concreto rápidamente. Un cemento que tarda en fraguar, puede desarrollar mejores resistencias mecánicas con el tiempo que el de fraguado normal. Un retardo en el fraguado de 1 ó 2 horas adicionales al tiempo normal, no ocasiona pérdidas apreciables de resistencias a corto plazo. Es esta la razón por la cual las normas o especificaciones de los cementos, en el caso del fraguado, tienen un rango tan amplio entre casi 1 y 8 horas.

Existe una perturbación de la plasticidad de la mezcla de cemento que se denominan falso fraguado. Esta ocurre cuando el yeso, dihidratado utilizado como regulador de fraguado, se transforma en hemihidrato debido a una elevación de temperatura mayor de 120°C que puede tener lugar en el proceso de molienda. El falso fraguado se corrige con reposo del cemento o realizando un mezclado más largo y vigoroso del concreto. Al no detectarse oportunamente y observarse una mezcla aparentemente más seca o entumecida, se procede a incrementar el agua con la consecuente pérdida de resistencias mecánicas. El falso fraguado al contrario del fraguado relámpago nunca va acompañado de una fuerte liberación de calor que genere un calentamiento de la masa de la mezcla.

Los ensayos para medir la consistencia normal de la pasta, el tiempo de fraguado y el falso fraguado del cemento, los rigen en Colombia las normas NTC 118, 110, 297.

• ESTABILIDAD DE VOLUMEN

La contracción irreversible o contracción química de las pastas de cemento se explica por el hecho de que el agua de amasado ocupa menos espacio cuando queda ocluida en el retículo de los productos de hidratación. El proceso de hidratación del cemento portland da lugar a la formación de compuestos con volumen absoluto superior a los compuestos anhidros. En cambio, durante el fraguado endurecimiento se produce una disminución en el volumen absoluto de la pasta. A este fenómeno también se le denomina retracción intrínseca.

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Existe también la retracción plástica y la retracción hidráulica o de secado, que tiene lugar por evaporación rápida del agua de amasado durante el estado plástico de la masa de cemento o cuando esta ha fraguado y endurecido. En general estas retracciones se detectan por la aparición de fisuras o grietas y se producen cuando el módulo de elasticidad, multiplicado por el de retracción, es mayor que la resistencia a la tracción de la masa problema. Las retracciones plásticas que se presentan antes del fraguado en general corresponden a que el cemento no tiene capacidad de retener el agua en cantidades adecuadas o porque la hidratación de éste es muy lenta. En las retracciones hidráulicas o por secado, los factores que inciden en ella son: el diseño y el cálculo de superficies, la dosificación de cemento, la humedad relativa del medio de conservación, la temperatura ambiente y la velocidades del viento. Las retracciones plásticas o hidráulicas se pueden combatir óptimamente si se efectúa un buen curado que impida la pérdida rápida de humedad de la masa de la mezcla. La retracción potencial de un cemento portland obedece fundamentalmente a:

La composición mineralógica, Existen unos coeficientes de retracción del cemento portland a los 28 días en función de la composición mineralógica, estos se presentan en la tabla Nº 14. Estos valores se aplican bajo el mismo modelo estipulado para calcular el calor total de hidratación y el resultado se expresa en porcentaje (%) de retracción. De la tabla se deduce que el contenido de C3A es quien da la mayor retracción. También se ha comprobado que si el contenido de yeso en un cemento no corresponde al óptimo con relación al contenido de C3A, habrá una mayor retracción de dicho cemento.

TABLA Nº 14: COEFICIENTES DE RETRACCIÓN DEL CEMENTO PORTLAND EN FUNCIÓN DE SU COMPOSICIÓN MINERALÓGICA, A LOS 28 DÍAS

COMPONENTES % RETRACCIÓN

C3S 0.040

C2S 0.020

C3A 0.102

C4FA 0.025

La finura del cemento, también guarda una relación directa con la retracción. En la tabla Nº 15 se presenta esta relación.

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TABLA Nº 15: RELACIÓN ENTRE LA FINURA DEL CEMENTO Y LA RETRACCIÓN EN MORTEROS A 90 DÍAS

RETRACCIONES A: (%) SUPERFICIE ESPECÍFICA (cm2/g) 3 días 7 días 28 días

3.046 1.07 1.53 1.98

3.524 1.14 1.69 2.22

4.000 1.30 1.77 2.45

La conservación en ambiente húmedo o seco tiene efecto en la retracción. En la tabla Nº 16, se muestra este efecto.

TABLA Nº 16: EFECTO DE LA HUMEDAD RELATIVA Y LA RETRACCIÓN SOBRE PROBETAS DE MORTERO CONSERVADAS A DIFERENTES EDADES

RETRACCIONES A: (%) MEDIO AMBIENTE

3 días 7 días 14 días 28 días

50% de H.R. 1.14 1.38 1.61 2.20

100% de H.R. 0.38 0.46 0.46 0.46

Efecto de la cantidad de cemento sobre lo retracción. A mayor contenido de cemento en una pasta mortero u concreto la retracción aumenta, por ello deben evitarse los excesos de cemento. En la figura Nº 8, se observa la retracción en función de la cantidad de cemento y la relación a/c.

• CALORES DE HIDRATACIÓN

La reacción del cemento con el agua es exotérmica y libera una cantidad de calor del orden de 120 cal/gr de cemento. Lo más, importante de este aspecto no es la cantidad total de calor liberado sino la velocidad con que se desprende dicho calor. Dicha velocidad de desprendimiento de calor, está afectada en todo cemento por:

La temperatura de curado: Este aspecto donde se muestra que a mayor temperatura de curado existe una mayor velocidad de desprendimiento de calor, se presenta en las tablas Nº 17 y 18.

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Figura Nº 8: Retracción del Concreto en función de la Cantidad de Cemento y la Relación a/c

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Cantidad de Cemento (kg/m3)

Con

trac

ción

des

pues

de

6 m

eses

(m

m/m

)

a/c = 0.3a/c = 0.4a/c = 0.5a/c = 0.6a/c = 0.7

TABLA Nº 17: EFECTO DE LA TEMPERATURA DE CURADO SOBRE EL CALOR DE HIDRATACIÓN

CALOR DE HIDRATACIÓN (cal/g) para a/c = 0.4 TEMPERATURA (°C)

3 días 7 días 28 días 90 días

4,4 29,5 43,5 78,4 88,8

23,3 52,4 72,4 83,6 90,8

40,0 72,3 80,3 86,8 93,1

TABLA Nº 18: CALOR DE HIDRATACIÓN DESARROLLADO DESPUÉS DE 3 DÍAS, A DIFERENTES TEMPERATURAS

Calor de hidratación desarrollado (cal/g.) a: TIPO DE CEMENTO

4°C 24°C 32°C 41°C

I 36,9 68,0 73,9 80,0

III 52,9 83,2 85,3 93,2

IV 25,7 46,6 45,8 51,2

La relación a/c: A mayor relación a/c mayor desprendimiento de calor a cualquier edad. Verbeck y Foster han realizado la investigación más completa

A. Salazar 48


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del efecto de la relación agua/cemento (a/c) sobre el calor de hidratación del cemento. En la Tabla Nº 19 se presentan sus datos.

La finura del cemento también afecta la velocidad de desprendimiento de calor. El incremento en la finura permite un incremento en la liberación del calor en las primeras edades, entre 1 y 28 días, pero a edades cercanas a 1 año su efecto ya no es tan notable. Por cada 100 cm2/g (método de Wagner) se incrementa el desarrollo del calor en 4 a 5 cal/g aI día, de 1 a 3 cal/g a 7 y 28 días y menos de 1 caI /g a un año.

Diferentes tipos de investigadores han logrado calcular el calor de hidratación de los minerales que componen al clinker así pues, se puede determinar el calor total de hidratación de un cemento cualquiera con una exactitud suficiente para trabajos prácticos, si se conoce la composición potencial de este. En la Tabla Nº 20, se presentan los coeficientes hallados por Lerch y Bogue y por Woods, Steinour y Starke para ser aplicados al siguiente modelo de cálculo:

H = a (%C3S) + b (%C2S) + c (%C3A) + d (%C4FA) H = Calor de hidratación total en cal/g.

TABLA Nº 20: CALOR DE HIDRATACIÓN DE LOS MINERALES DEL CIINKER

CALOR DE HIDRATACIÓN DE LOS MINERALES (cal/g) SEGÚN:

C3S (a) C2S (b) C3A (c) C4FA (d) CaOlibre

Lerch y Bogué 120 62 207 100 279

Woods, Steinour y Starker (después de 1 año) 136 62 200 30 (*) -

(*) Al cabo de 6 meses: 73 cal/g.

Diversos investigadores han llegado a una misma conclusión en cuanto a establecer genéricamente, que a los 3 días se libera aproximadamente el 50% del calor total de hidratación, a los 7 días el 75% del calor total y a los 6 meses entre el 83 y el 91% de dicho calor total.

La importancia del calor de hidratación desde el punto de vista técnico consiste en que eleva la temperatura de la masa del concreto. Esto es ventajoso cuando la temperatura del ambiente es baja para los elementos de concreto de dimensiones corrientes.


A. Salazar 50

TABLA Nº 19: EFECTO DE LA RELACIÓN a/c SOBRE LOS CALORES MEDIOS DE HIDRATACIÓN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE CEMENTO A.S.T.M., CURADOS A 21'C

CALOR DE HIDRATACIÓN (cal/g) EN EL TIEMPO INDICADO TIPO DE CEMENTO

ASTM

NUMERO DE MUESTRAS EN EL PROMEDIO

RELACIÓN a/c

3 días 7 días 28 días 90 días 1 año 6.5 años 13 años

0.4 60.9 79.2 95.6 103.8 108.6 116.8

0.6 65.8 87.7 107.1 114.7 120.0 123.1I 8

0.8 66.3 89.4 111.6 119.5 122.2 125.0

118.20

0.4 46.9 60.9 79,6 88,1 95,4 98,4

0.6 49.6 61.3 83,5 94,8 102,1 104,6II 5

0.8 49.3 64.3 84.7 99.2 106.8 106.1

100.70

0.4 75.9 90.6 101.6 106.8 114.2 120.6

0.6 86.1 103.6 119.9 124.4 127.3 127.2III 3

0.8 86.7 105.0 121.0 126.3 130.0 130.0

120.50

0.4 40.9 50.1 65.6 74.4 80.6 85.3

0.6 43.2 53.5 66.6 78.7 90.4 92.5IV 4

0.8 41.7 52.8 69.8 82.5 94.8 96.4

87.30

0.4 55.7 70.5 86.5 94.4 100.5 106.5

0.6 60.3 76.6 95.0 104.0 110.7 113.0V 20

0.8 60.2 78.1 97.9 108.2 114.0 115.4

107.99


En los concretos en masa, más de 1 metro de espesor, cuando se genera el calor de hidratación el núcleo se endurece manteniendo una mayor temperatura que el exterior debido a la baja conductividad térmica del concreto que es de: 3x10-3 (cal/(cm.seg.ºC)), tal que el calor de hidratación no es llevado a la superficie y cedido al exterior tan rápidamente como se produce. Se presenta una acumulación de calor en el núcleo pues en las primeras horas el concreto se comporta adiabáticamente y se generan tensiones por la diferencia de temperaturas entre las zonas frías, exteriores de la obra y las calientes del núcleo, dando lugar a las "grietas de encofrado” que la mayoría de las veces se colmatan espontáneamente o son de pocos centímetros de profundidad, pudiéndose presentar también "grietas de fractura'' de consecuencias graves.

Aplicando un balance de energía es posible calcular la temperatura del concreto, a cualquier edad, siempre y cuando se disponga de la siguiente información:

o Calores específicos de los materiales, que integran al concreto:

• Cementos y Agregados 0.2 cal/g °C

• Agua sin combinar 1.0 cal/g °C

• Agua combinada, después de fraguado 0.9 cal/g °C

o Calor de hidratación del cemento a la edad en que se desea conocer la temperatura del concreto endurecido.

o Diseño de mezcla del concreto. Por ejemplo:

• Cemento 350 kg/m3

• Agua 180 lts/m3

• Agregados(Arena + Grava) 1.850 kg/m3

o Temperatura de los materiales a emplear

Conocida esta información, se procede como se indica en el ejemplo. En primer lugar se define el término capacidad calórica como el producto de la masa por el calor específico y expresada en kcal/m3. En la tabla Nº 21 se presenta un resumen del manejo de los datos.

A. Salazar 51


TABLA Nº 21: RESUMEN DEL MANEJO DE DATOS

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

N° Constituyentes Dosificación (kg/m3)

Calor específico (kcal/kg°C)

Capacidad calórica

(kcal/m3 °C)

Temperatura del material

(°C)

1 Cemento 350 0.2 70 65 2 Agregados 1850 0.2 370 25

3 Agua sin combinar (antes fraguado) 180 1.0 180 20

4 Agua Combinada (después de fraguado)

170 (*) 0.9 153

Suma de 1+2+3 620 Suma de 1+2+4 593

(*) Se estima que el agua combinada es 10 kg/m3 menor que la original por fenómeno de evaporación y absorción.

La capacidad calórica del concreto fresco corresponde a la suma de (1) + (2) + (3) en (e) y equivale para el ejemplo a:

Capacidad Calórica del Concreto Fresco (MhfxCphf) = 620 kcal/m3 °C

El cálculo de la temperatura del concreto fresco se efectúa a la temperatura de referencia que es 0°C.

Mhf*Cphf*Thf = Mc*Cpc*Tc + MAg*CpAg*TAg + MH2O*CpH2O*TH2O

Luego: 620 Thf = 70x 65 + 370 x 25 + 180 x 20 Thf = 28,06 ° C

Para calcular la temperatura del concreto endurecido, se requiere conocer la capacidad calórica del concreto endurecido que corresponde a la suma de: (1) + (2) + (4) en (e) y equivale para el ejemplo a: 593 Kcal/m3°C. El balance térmico se plantea así:

Mhe*Cphe*(The-Thf) = Calor Generado por la Hidratación del Cemento

Para calcular la temperatura del concreto a los 3 días de vaciado hay que conocer el calor de hidratación liberado por el cemento a los 3 días. Este, se debe medir o calcular con las ecuaciones planteadas anteriormente y que tienen como base conocer la composición potencial del cemento. Para este ejemplo se asumirá que el valor es de 75 cal/g, entonces:

Mhe*Cphe*(The - Thf) = 75 kcal/kg x 350 kg/m3 The = 72.33°C

A. Salazar 52


donde: Thf = Temperatura del concreto fresco The = Temperatura del concreto endurecido

De lo anterior se puede concluir:

• La temperatura del cemento incide poco en la temperatura del concreto fresco, salvo que se empleen mezclas ricas en cemento y que éste se encuentre caliente. La máxima temperatura del cemento en uso será de 65°C.

• La temperatura del concreto endurecido depende fundamentalmente de la cantidad de cemento en la mezcla y del calor de hidratación de éste.

• Reducir la temperatura de los agregados, por la gran masa de ellos, contribuye substancialmente a reducir la temperatura del concreto fresco y endurecido. Se acostumbra, cuando no hay otro recurso, a utilizar agua fría o escamas de hielo para bajar la temperatura del concreto. Este procedimiento es costoso.

• La temperatura del concreto fresco, conjuntamente con la temperatura del ambiente, la humedad relativa y la velocidad del viento, son los factores que determinan la velocidad de evaporación de agua de la masa del concreto. Esta velocidad determina el riesgo que existe para que se formen fisuras en las primeras horas de vaciado. Sí la rapidez de la evaporación se aproxima a 1.0 kg/m2/hr, es necesario tomar precauciones en contra del agrietamiento por contracción plástica. En la figura Nº 9 se presenta un nomograma que permite evaluar este riesgo. Para utilizar la figura se debe proceder así:

Iniciar con la temperatura del aire, avanzar hacia arriba a la humedad relativa,

Avanzar hacia la derecha a la temperatura del concreto, Descender a buscar la velocidad del viento, Retroceder hacia la izquierda, leyendo la velocidad de evaporación de

agua. Cuando esta lectura se encuentra en los rangos presentados a continuación, se puede inferir las posibilidades de que la obra presente fisuramiento.

VELOCIDAD DE EVAPORACIÓN (kg/m2/hr) FORMACIÓN DE FISURAS

0 – 0.5 Ninguna

0.5 – 1.4 Alguna

≥ 1.5 100 %

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FIGURA Nº 9: Influencia de la temperatura del aire, la humedad relativa, la temperatura del concreto y la velocidad del viento sobre velocidad de evaporación de agua del concreto.

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• LA RESISTENCIA MECÁNICA DEL CEMENTO

La naturaleza y la distribución de la pasta de cemento son las condiciones que más colaboran en el desarrollo de las resistencias mecánicas del concreto en el tiempo. Hay dos teorías planteadas sobre el endurecimiento o aumento de resistencia del cemento. Henry Le Chatelier (1850-1936) planteó que el proceso de endurecimiento del cemento tiene como base la química cristalina pura y por ello afirma que los productos resultantes de la hidratación del cemento, poseen menos solubilidad que los compuestos originales que van a reaccionar, así los hidratos se precipitan como cristales desde una solución sobresaturada. Estos cristales aciculares o alargados muy finos, producen un apretado afieltramiento o entrelazamiento que define propiedades de alta cohesividad y adherencia.

La otra teoría es la denominada teoría coloidal propuesta por Wilkelun Michaelis (1840-1910). Esta plantea que la cohesión resulta de la precipitación de una masa gelatinosa coloidal formada por silicatos de calcio hidratados (tobermorita) bastante insoluble, que endurece gradualmente al perder agua por secado externo o por succión interna causada por la hidratación de los núcleos no hidratados de los granos de cemento.

Actualmente se considera que ambas teorías contienen elementos aceptables y no son totalmente contradictorias. Se distinguen tres períodos en el fraguado y endurecimiento del cemento: el primer paso corresponde al de disolución de los compuestos del cemento, el segundo paso es aquel en que todos los productos de la hidrólisis pasan al estado coloidal y a esto se atribuye al fenómeno de fraguado. Posteriormente, estos geles se transforman en cristales aciculares que generan el endurecimiento o desarrollo de resistencias del cemento. Sobre estas teorías se ha seguido trabajando y avanzando, sin embargo, la base de toda investigación sigue siendo la interacción entre los dos mecanismos formulados por Le Chatelier y Michaelis.

2.3.10 NECESIDAD DE UNA ELECCIÓN RACIONAL DE LOS CEMENTOS

Como se ha visto, las propiedades y el comportamiento del concreto dependen en gran parte de su componente más activo, el cemento. Como consecuencia, la elección del cemento más adecuado en cada caso tiene gran influencia técnica y económica para el concreto. Ante una gran variedad de cementos disponibles es preciso distinguir entre los de utilización general y los idóneos para usos específicos, y la distinción se debe hacer en términos de resistencia mecánica, estabilidad y durabilidad.

Los cementos para usos específicos han de cumplir requisitos que no tienen por qué ser impuestos innecesaria y antieconómicamente a los de utilización general. En la elección de los cementos se debe evitar la incompatibilidad entre exigencias con respecto a características antagónicas, o aceptar un compromiso entre ellas, en relación con el concreto que se pretende obtener.

A. Salazar 55


Si las recomendaciones sobre el empleo de los cementos son suficientemente acertadas, se consiguen concretos más económicos con muy escasa - y siempre tolerable - o ninguna merma de sus características y prestaciones.

La elección de un cemento para un fin determinado no es, en general, difícil. En tal sentido es aconsejable utilizar, siempre que se pueda, un cemento de uso general, de producción uniforme y bien conocidos y acreditados localmente. Las justificaciones pueden ser:

• La exigencia de altas resistencias iniciales.

• La resistencia a sulfatos del terreno, al agua de mar o a otros medios agresivos químicos.

• La reactividad de los áridos con los álcalis.

• Algunas obras masivas de concreto en las que la alta temperatura pueda ocasionar tensiones de tipo térmico.

• La resistencia del concreto a muy altas temperaturas.

• El color (blanco) del concreto.

El propósito de estas Recomendaciones es informar y ayudar al usuario a utilizar los cementos de empleo general, y a distinguir cuándo debe usar otros especiales, en función de sus efectos en las propiedades, comportamiento y prestaciones del concreto. Otras propiedades y comportamientos dependen más de la cantidad de cemento que de las características del mismo.

Las Recomendaciones no son un tratado de química del cemento, pero dan referencias acerca de dicho tema. Para explicar este tema, se escogió la norma española UNE 80-300-92, que refleja muy bien la normativa europea, en donde existe una cultura del cemento que ha generado la producción de diferentes tipos de ellos en función del uso y de las adiciones empleadas en su fabricación.

Los tipos de cementos especificados por esta normativa española, responden a los detalles de composición, categorías resistentes, especificaciones físicas y especificaciones químicas indicadas en la tabla Nº 22.

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Tabla Nº 22: COMPOSICIÓN DE LOS CEMENTOS (Cementos. Recomendaciones para el uso de los cementos. UNE 80-300-92)

Proporción en masa % (1)

Tipos Componentes Principales

Denominación Desig-nación Clinker

Escoria Siderúrgica

(S)

Puzolana Natural

(Z)

Cenizas Volantes

(C)

Filler Calizo

(F)

Componentes Adicionales (2)

I-0 100 0 0 0 0 0 Cemento Portland

I 95 a 99 - - - - 1 a 5

Cemento Portland Compuesto II (3) 65 a 88 6 a 27 6 a 23 0 a 5 -

Cemento Portland con escoria II-S 65 a 94 6 a 35 - - - 0 a 5

Cemento Portland con puzolana II-Z 72 a 94 - 6 a 28 - - 0 a 5

Cemento Portland con ceniza volante II-C 72 a 94 - - 6 a 28 - 0 a 5

Cemento Portland con filler calizo II-F 80 a 94 - - - 6 a 15 0 a 5

III-1 40 a 64 36 a 60 - - - 0 a 5 Cemento de Alto horno III-2 20 a 39 61 a 80 - - - 0 a 5

Cemento Puzolánico IV ≥ 60 - ≤ 40 - 0 a 5

Cemento Mixto V 20 a 64 36 a 80 (4) - 0 a 5

Cemento Aluminoso VI 100 - - - -

(1) En estos valores se excluyen el regulador de fraguado y los aditivos. (2) Los componentes pueden ser uno o varios entre escoria siderúrgica, puzolana natural,

cenizas volantes o filler calizo, a menos que sea un componente principal del cemento. (3) Las proporciones de los componentes de los cementos de tipo II deben responder a la

fórmula:

1.0S + 1.25Z + 1.75F ≤ 35

Cuando la composición de un "cemento portland compuesto" (II) corresponda a la de alguno de los tipos II-S, II-Z, II-C, IIF será designado concordanternente.

(4) La proporción de puzolana no será superior al 40%.

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2.4 AGREGADOS ( )14

2.4.1 GENERALIDADES - CLASIFICACIÓN

Se define como agregados a los materiales pétreos que mezclados con agua y cemento forman el concreto. Los agregados deben ocupar la mayoría del volumen del concreto usado en las construcciones comunes, entre el 60 al 80% y por lo tanto sus características influirán en las propiedades del concreto fresco y endurecido. Cuando se optimizan las proporciones de los agregados en una mezcla, se conseguirá por parte de ellos:

• Mayor economía en la mezcla, pues los agregados son más baratos que el conglomerante.

• El concreto tendrá una mayor estabilidad de volumen y por ende una mayor durabilidad, debido a la reducción en el consumo de cemento.

La calidad de los agregados tiene fundamental importancia. Por ejemplo, cuando éste es débil o quebradizo o laminado, producirá un concreto de baja calidad resistente y baja durabilidad. En general, los agregados deben satisfacer ciertos requisitos tales como:

• Ser partículas limpias, duras, resistentes y durables.

• Estar libres de sustancias químicas, recubrimientos de polvo u otros materiales que afecten la hidratación del cemento y la adherencia de la pasta.

• No deberán emplearse aquellos que contengan pizarras laminares naturales o esquistos, partículas porosas y deleznables.

Los agregados no pueden considerarse como materiales inertes, pues sus propiedades físicas y térmicas y algunas veces también las químicas, influyen notablemente sobre el comportamiento del concreto.

Con frecuencia, en una inspección visual se descubren las debilidades de los agregados gruesos. Cuando no existe ninguna referencia del comportamiento de un agregado, deberán efectuarse las pruebas suficientes para ver si cumplen con las especificaciones de norma.

Los agregados genéricamente se clasifican por tamaños, aunque existen otras formas de clasificarlos de acuerdo a: su orígen, forma, densidad, etc.

A. De acuerdo a su tamaño se clasifican en:

14 Salazar, A., “Materiales para el Concreto”, Libro, Oficina de Publicaciones, Facultad de

Ingeniería, Universidad del Valle, 1991, 4º edición

A. Salazar 64


A. Salazar 65

• Agregado fino: aquel que pasa el tamiz 4.76 mm. (#4) y es retenido en el tamiz 74µ (#200)

• Agregado grueso: aquel retenido en el tamiz 4.76 mm. (#4)

En Colombia, la arena es un agregado fino resultante de la desintegración natural o artificial de las rocas; la grava es un agregado grueso de tamaño máximo superior a 20 mm (¾”) y la gravilla corresponde a un agregado grueso de tamaño máximo inferior a 20 mm. (¾”)

B. De acuerdo a su origen, las rocas y los agregados de construcción se clasifican así:

• Naturales: siliceos, calcáreos, micáceos, zeolíticos, etc., según sea su roca de origen.

• Artificiales: arcillas expandidas, escorias de carbón y altos hornos.

En la Tabla Nº 23, se muestra un resumen de la Clasificación Geológica de las Rocas:

Los agregados naturales también se podrían analizar con base en como adquieren su tamaño: por agentes naturales - cantos rodados - ó por trituración.

En general, cualquiera de las clasificaciones geológicas dadas, pueden incluir materiales que permitan producir un agregado apropiado o no para uso en concreto, aún cuando algunos grupos tienden a resultar mejores que otros.

Es importante realizar análisis y estudios petrográficos cuando se desconoce un material que se desea seleccionar para producir agregados para concreto. Este análisis se realiza así:

Se efectúa una observación megascópica de parte de un Geólogo a fin de determinar o identificar los tipos de rocas, que constituyen el agregado, las formaciones en que se presentan y las posibles fuentes de problemas. Con el análisis petrográfico, se realiza una ampliación del análisis macroscópico descrito. Este se define, como el examen visual y el análisis litológico y de las propiedades de las partículas individuales de un material cualquiera. ( )15 De esta manera se suministra información sobre las propiedades de los agregadas y se contribuye a la interpretación de los resultados de los ensayos físicos y/o químicos del material. La Norma ASTM C-295 define muy bien este ensayo.

15 Notas Técnicas No. 7, “ Selección y uso de Agregados para Concreto” (ACI-621),

I.C.P.C.


A. Salazar 66

TABLA No 23: CLASIFICACION GEOLOGICA DE LAS ROCAS

- Intrusivas Granitoideas : Granito, Sienita,

Rocas Ígneas Porfídicas: Granítico, Pórfido,(1) Enfriamientos lentos o Diorrtico, Sienitico

bruscos - Piedra pómez, pumita

- Efusivas:Volcánica - Basalto, DIABASA - Perlita - PUZOLANAS

- Conglomerado- Siliceas - Silex o pedernal,

Rocas Sedimentarias - Gravas y arenas (

1. Desintegración de la - Arcillosas - Caolín, Lutitas, Arcillasexistente

2. Transporte por agua o - Cálcicas - Caliza, Dolomía, 3. Sedimentación mecánica

química 4. Consolidación - Carbonosas - Carbón

- Micacita, Talcocita, Pizarras, Marmol Rocas Metamórficas

1. Rocas sedimentarias2. Cristalización - Esquistos


Por ejemplo: la arena del río Cauca presentó los siguientes minerales en una observación megascópica:

• Cuarzo • Micas • Carbón • Piritas • Magnetitas

Las propiedades de los agregados naturales dependen de la roca de origen y del beneficio ó extracción. De la roca de origen se desprenden las siguientes propiedades:

• Características químicas • Composición mineralógica • Densidad ó gravedad específica • Dureza • Resistencia mecánica • Estabilidad físico - química • Estructura: masiva, densa, porosa • Color

Del beneficio o proceso de extracción, dependen las siguientes propiedades:

• Forma • Tamaño de partículas • Textura superficial • Absorción • Pesos unitarios

Reconocer las anteriores características, es importantes para hacer buen concreto.

Los agregados artificiales se conocen fundamentalmente por la materia prima empleada y los métodos de producción que se siguen. Hay un primer grupo en el cual se incluyen aquellos agregados producidos por la aplicación del calor, a fin de conseguir la expansión de la arcilla, la perlita, etc. En el segundo grupo se producen los agregados a través del enfriamiento con lo que se genera la expansión de las escorias de alto horno. El tercer grupo está formado por las cenizas industriales. Es importante que estas cenizas estén libres de variedades dañinas de carbón no quemado, capaces de expandirse en el concreto y causar fallas. Existen normas, en casi todos los países que las usan, en las que se definen los límites de pérdidas al fuego y de contenido de sales solubles para las cenizas utilizadas en la producción de distintos concretes: concreto simple de uso general y bloques de concreto prefabricado.

A. Salazar 67


En la norma B.S. 1165: 1966 no se recomienda el uso de agregados de cenizas industriales en el concreto reforzado o en concretos a los que se les solicita una alta durabilidad. ( )16

Las escorias gruesas y finas del carbón se pueden emplear para la construcción de vías. Siempre y cuando satisfagan los requisitos de calidad exigidos a los materiales que sustituyen. En cuanto a su calidad química, deben superar el ensayo de sanidad de agregados exigido para todos los materiales que se emplean para el mismo fin.

En los agregados naturales como en los artificiales hay materiales que le confieren al concreto características de: ligeros, normales y pesados. Para distinguirlos se aplica el concepto de los pesos volumétricos unitarios. Ver tabla Nº 24 ( )17

TABLA Nº 24: LOS AGREGADOS EN FUNCIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO

TIPO PESO VOLUMÉTRICO A GRANEL (kg/m3)

a. AGREGADOS LIGEROS Naturales 500 900 Artificiales

Arcillas Expandidas Perlita Vermiculita Escoria de alto Horno Cenizas Volantes

300

30 60

300 1.000

900 240 130

1.100 1.760

b. AGREGADO NORMAL 1.400 1.760 c. AGREGADO PESADO Son aquellos cuyo peso específico es > 4.0

Naturales barita. Peso específico 4.1 Artificiales acero, ferrofósforo, plomo

C. De acuerdo a su forma se pueden clasificar desde redondeados a cúbicos; en esto se incluyen toda la gama de formas de transición. Los agregados pueden encontrarse en depósitos formados por corrientes naturales de agua, o bien se obtienen de canteras. Los cantos rodados provienen de los cauces de los ríos y en el concreto contribuye a lograr una más fácil manejabilidad, se recomiendan siempre que reúnan las condiciones de calidad, tamaño y economía. La piedra triturada se usa en los casos en que no se disponga económicamente de los

16 Neville, A.M., “Properties of Concrete“, John Wiley & Sons, Inc., 4º edition, 1997.

17 Canadian Portland Cement Association, "Design and Control of Concrete Mixtures", 5º edition, 1991.

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cantos rodados, pero generan concreto de menor manejabilidad e incrementan el consumo de cemento.

2.4.2 FORMA, TEXTURA Y PELÍCULAS SUPERFICIALES. ( )18

La forma de las partículas, la textura superficial y la película sobre la superficie de un agregado, tienen notable incidencia en las propiedades del concreto fresco y la última también afecta en forma notable al concreto endurecido.

• FORMA

Los agregados de formas cúbicas, angulares, planas, requieren de más agua para producir un concreto manejable respecto a aquellos de formas redondeadas. De hecho los primeros exigirán concretes más ricos en cemento para alcanzar la resistencia que se logra con los agregados redondeados, al definir una relación agua/cemento constante.

Cuando la granulometría de los agregados es apropiada, los agregados de formas redondeados como los de formas cúbicas, generalmente producen concretos de resistencias similares, si se emplea igual cantidad de cemento.

La especificación ICONTEC NTC-174, establece dos formas para los agregados.

•

•

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

l =Longitud de la partícula

b =Ancho de la partícula

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

d = Espesor de la Partícula

b = Ancho de la partícula

La misma especificación plantea en su ítem 4.2, que “cuando se realice una clasificación manual sobre una muestra de tamaño especificado el porcentaje de partículas indeseables, como partículas planas o alargadas, no deberá ser mayor del 50% de la masa total de la muestra”. (Ver tabla Nº 25)

18 Arredondo F. et Al, “Los áridos en la construcción. Extracción, preparación, utilización.”,

Editores Técnicos Asociados, S.A., Barcelona, 1967.

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TABLA N° 25: TAMAÑO ESPECIFICADO DE UNA MUESTRA DE AGREGADO

Tamiz ICONTEC (mm) Masa de la muestra (gr)

9.51 a 12.70 200 12.70 a 19.00 600 19.00 a 25.40 1,500 25.40 a 38.10 4,500 38.10 a 50.80 12,000

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

• Redondeados: Cantos rodados

• Irregulares: Agregados de Minas

Planas: Espesor/ancho < 0. 5 - triturados Largas: Longitud/ancho > 1. 5 - triturado Cúbica: Longitud = ancho = espesor - triturado

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

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

CFv = V/(π n3/6)

En la práctica, se toma un conjunto de partículas, entre 200 y 1.000 gr, de peso total y se calcula así:

CFv = ∑V/ ∑(π n3/6)

En la Tabla Nº 26, se presentan los coeficientes mínimos prescritos por la norma francesa.

TABLA Nº 26: COEFICIENTES VOLUMÉTRICOS DE FORMA MÍNIMOS

Tipo de Concreto Tamaño Máx. > 20 mm. Tamaño Máx. < 20 mm.

Concreto Armado 0.20 0.15 Concreto Impermeable 0.20 0.15 Concreto Masivo 0.15 0.12

Para elaborar un concreto de alta calidad con agregados entre 25.4 y 12.7 mm se recomienda un coeficiente de forma mínimo de 0.25. En los agregados triturados, el

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coeficiente de forma decrece a medida que disminuyen sus dimensiones. Las arenas deben ser en lo posible de formas redondeadas.

• LA TEXTURA SUPERFICIAL

Está referida al grado en que la superficie de una partícula se encuentre pulida, suave, áspera, porosa. Cuando se incrementa en un agregado las superficies lisas o pulidas, decrece el área de contacto y con ello la adherencia del mortero o la pasta, pero a su vez para igualdad de trabajabilidad, requieren menos pasta de lubricación los agregados lisos que los rugosos. Existe un decrecimiento de las resistencias a flexión en los concretes que usan agregados lisos respecto a otros con agregados rugosos,todos a igualdad de dosificación.

En el siguiente ejemplo se presenta el caso de la producción de tres concretos con distintas texturas de agregados. La dosificación de cemento fue igual para cada caso, con un contenido de 320 kg/m3 de concreto. Los agregados empleados tenían un tamaño máximo de 38 mm. Todas las mezclas fueron trabajadas con igual asentamiento. En la Tabla Nº 27, se muestran los resultados.

TABLA Nº 27: EFECTO DE LA TEXTURA SUPERFICIAL EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO

Partículas (%) Resistencia a 28 días (kg/cm2)

Lisas Rugosas a/c

Flexión Compresión

100 0 0.53 41.7 340 50 50 0.57 45.2 315 0 100 0.60 47.0 289

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

Textura Superficial Ejemplos

Vítrea Escorias, Vitrificadas, pedernal Lisa Canto Rodados, mármoles

Áspera Triturado de caliza, basalto, diabasa Porosa Ladrillo, pumicita, agregados ligeros

• PELÍCULA SUPERFICIAL.

Se denomina a cualquier material adherido a la partícula de agregado y generalmente se deposita después del beneficio de este. Esta constituida, casi siempre, por material fino de la misma mineralogía de la partícula del agregado. Las

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capas pueden ser naturales, fruto del proceso de la formación geológica de la roca madre, así como artificiales generadas por el proceso de beneficio. En el primer caso, puede ser arcilla, cuarcita, calcita, etc.; en el segundo por lo general, es polvillo o polvo adherido en el proceso de trituración. Por esto la práctica común es que todo material triturado debe lavarse antes del suministro.

Este polvo genera una mayor demanda de agua por lo que la resistencia del concreto se ve perturbada negativamente. Si en el proceso de mezclado esta capa no se desprende, entonces la resistencia del concreto se verá afectada por deficiencia en la adherencia, de la pasta o del mortero, al agregado.

En cuanto a la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, generalmente cuando ésta es buena, en un concreto preparado con materiales triturados aparecerán algunos de éstos agregados fracturados dentro de la masa y una gran cantidad de espacios que muestran material arrancado totalmente de su lugar. Un exceso de partículas fracturadas sugerirá la presencia de un agregado débil.

2.4.3 RESISTENCIA DE LOS AGREGADOS

Este concepto se aplica normalmente a los agregados gruesos. La resistencia a compresión de un concreto, nunca podrá ser mayor a la que posea la mayor parte del agregado que contenga. Un buen valor medio de la resistencia a la trituración de un agregado es de 2109 kgs/cm2 (200 MN/m2), pero hay agregados excelentes con valores de 843 kgs/cm2.

Existe una prueba para medir las propiedades de trituración de un agregado, se le denomina: Prueba del valor de trituración de la norma Británica: BS 812, 1967. Consiste en clasificar el material a ensayar entre 12.7 mm. (1/2”) y 9.5 mm (3/8”) La muestra se seca en un horno a 110ºC durante 4 horas. Luego se introduce en un molde cilíndrico, se pone un pistón sobre el agregado y se aplica una presión máxima de 223 kgs/cm2 en un tiempo definido. Terminada esta fase, se extrae el agregado del molde, se tamiza sobre un tamiz de 2.4 mm. La relación de peso del material que pasa el tamiz al peso total de la muestra inicial, se le llama valor de trituración del agregado. Esta prueba es poco sensible para agregados débiles con valores de trituración entre 25 a 30% ya que estos materiales se compactan en las primeras cargas y por consiguiente se reduce el grado de trituración en las siguientes.

La resistencia a compresión ( ) 19 de algunas rocas en U.S.A., obtenidas por extracción de núcleos de la roca madre, se presentan en la tabla Nº 28.

19 ASTM STP 169C, “Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making

Materials”, 4º edition, 1994.


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TABLA Nº 28: RESISTENCIA A LA COMPRESION DE ROCAS COMUNMENTE EMPLEADAS COMO AGREGADOS PARA CONCRETO EN USA

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (Después de suprimir los extremos (++)

PROMEDIO (+) MAXIMO MÍNIMOTIPO DE ROCA NUMERO DE

MUESTRAS (*)

MPa kg/cm2 MPa kg/cm2 MPa kg/cm2

GRANITO 278 181 1842 257 2622 114 1167FELSITA 12 324 3304 526 5365 120 1223TRAPA 59 283 2890 377 3846 201 2053CALIZA 241 159 1617 241 2454 93 949ARENISCA 79 131 1336 240 2447 44 450MARMOL 34 117 1188 244 2849 51 520CUARZITA 26 252 2566 423 4310 124 1265GNEIS 36 147 1498 235 2397 94 956ESQUISTO 31 170 1730 297 3030 91 928

(*) Para la mayor parte de las muestras, la resistencia a la compresión se toma del promedio entre 3 y 15 muestras.

(+) Promedio de todas las muestras (++) Por no ser típicos del material, se ha suprimido el 10% de todas las muestras probadas en las que se obtuvieron los

valores mayores o menores.


La diabasa o roca azul que se emplea en la ciudad de Cali como agregado grueso para concreto, pose e una resistencia a compresión del orden de los 1800 kg/cm2. La caliza que se encuentra en los municipios de Yumbo y Vijes, a 35 km. del centro de Cali. Esta posee una resistencia a compresión de 1600 kg/cm2.

En general la dureza de los materiales pétreos, rocas duras, se define en función de la escala de Mohs. Los valores de dicha escala son:

ROCA ESCALA

Talco 1

Sal Gema 2

Calcita 3

Fluosita 4

Apulita 5

Feldespato 6

Cuarzo 7

Topacio 8

Corindón 9

Diamante 10

Se conocen otras propiedades mecánicas de los agregados, éstas son:

• La Tenacidad. Es la resistencia del agregado a la falla por impacto.

• La Dureza. Se refiere a la resistencia del agregado a la abrasión superficial. Esta propiedad es importante determinarla para aquellos materiales con los que se preparan concretes para carreteras o para superficies donde hay mucho tráfico. La prueba más conocida es el ensayo de Abrasión en la máquina de los Ángeles: Normas ICONTEC 93 y 98. En las normas no hay un valor de referencia, aún así se acepta como máximo el 40%, como porcentaje que pasa el tamiz 1.68 mm. (#12) Esta prueba permite adicionalmente observar la uniformidad en la calidad del agregado, si se determinan valores de desgaste a diferentes revoluciones como 100, 200, 300 o 400.

Las propiedades mecánicas de los Agregados, se ven afectados por: o La meteorización parcial de la roca madre o Los puntos de contacto o veteados de las rocas o La cantidad de explosivos utilizados en su extracción o El equipo de trituración empleado

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2.4.4 PESO UNITARIO, DENSIDAD, ABSORCIÓN Y HUMEDAD SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS.

Las variaciones de cada una de las propiedades en referencia independientemente o en conjunto, producen efectos sobre las propiedades del mortero. Algunos efectos, son el resultado de una relación directa entre una o más propiedades de los agregados y una propiedad del mortero. Por ejemplo la incidencia del peso unitario y la densidad de los agregados sobre el peso del mortero.

• PESO UNITARIO.

La norma colombiana que rige el ensayo es la NTC 92. El peso unitario de un agregado, es el peso de la unidad de volumen de una muestra representativa del agregado. La determinación del peso unitario establece el contenido de vacíos en un empaque de partículas de un determinado agregado. La densidad absoluta siempre está referida al volumen de cada partícula consideradas individualmente y es claro que dichas partículas al ser empacadas o confinadas siempre dejarán vacíos entre ellas.

Esta medida es muy importante en el proporcionamiento de las mezclas cuando ello se realiza por volúmenes. Adicionalmente, cuando el agregado se maneja por volumen ó se compra ó despacha, se usa esta determinación para convertir las cantidades en volumen a peso o viceversa.

También el peso unitario sirve para clasificar a los agregados como ligeros, normales o pesados y otorgarles el uso apropiado. En general, el peso unitario de los agregados que sirven para producir morteros de pesos normales no debe variar y de producirse esto reflejaría cambios en la granulometría y forma de los agregados lo que seria suficiente para afectar el proporcionamiento de la mezcla. Se puede inducir a serios errores en la calidad de un mortero, si una mezcla diseñada por peso pero aplicada por volumen, sufre cambios en el peso unitario de sus agregados a causa de un cambio de la granulometría o de la forma de ellos y esto no se tiene en cuenta para corregir la mezcla.

El peso volumétrico para un material de una cierta densidad depende de:

El tamaño de las partículas

La distribución de los tamaños o su granulometría

La compactación de las partículas

Las partículas de un mismo tamaño tienen un límite de compacidad dejando unos vacíos en donde caben partículas menores con lo que se puede incrementar el peso volumétrico. Un agregado con un peso volumétrico alto, tiene menos huecos para Ilenarlos con pasta. Si se conoce la densidad aparente de un agregado en superficie seca saturada, sss, la relación de vacíos o huecos se puede calcular así:

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% Espacios Vacíos = 1001 xPsss

UC⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

ρ

Un ejemplo sobre el tema se presenta en la tabla Nº 29.

TABLA Nº 29: EJEMPLO DE CÁLCULO DEL ESPACIO VACÍO

MATERIAL Peso Unit. Suelto sss

(kg/m3)

Peso Unit. Compacto sss (kg/m3)

ρ sss Relación de vacíos

Arena río Cauca 1350 1450 2,600 0,411 Grava triturada (T max = 1½") 1569 1732 2,910 0,405 Mezcla (40% arena, 60% grava) --------- 1980 2,786 0,289

• DENSIDAD Y GRAVEDAD ESPECÍFICA.

La densidad se define genéricamente como la masa por unidad de volumen de un material. Aplicando este concepto, la unidad de volumen se considera que debe estar ocupada con material sólido libre de huecos o vacíos, a menos que sean substancias que consigo traigan vacíos permeables e impermeables. Por ello, debe definirse muy cuidadosamente el término densidad.

Densidad absoluta. Se refiere al volumen del material sólido que excluye todos los poros. Es muy difícil de medir y tecnológicamente no tiene gran aplicación.

Densidad aparente. Se refiere al volumen del material sólido que incluye los poros impermeables, pero no a los capilares o poros permeables.

Densidad aparente en superficie seca saturada. Se refiere al volumen del material sólido que incluye los poros impermeables y permeables. Esta es la densidad que más se usa para calcular el rendimiento del concreto o la cantidad requerida de agregado para un volumen dado de concreto.

Las normas NTC 176 y 237 definen el ensayo para determinar la gravedad especifica y la absorción de los agregados gruesos y finos. En general la gravedad específica no es una medida de la calidad de un agregado, pues los agregados de peso normal tienen una gravedad especifica entre 2,4 y 2,9. Es importante que los agregados en una mezcla de concreto, posean similares gravedades específicas, pues de lo contrario entre mayores diferencias haya, mayor aptitud a la segregación presentará el concreto.

En la región de Cali, los agregados empleados tienen las siguientes gravedades específicas:

o Agregados trituradas de diabasas 2,9 ± 0.05

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o Agregados trituradas de canto rodado 2,6 ± 0.05 o Arenas Río Cauca 2,5 ± 0.10 o Arenas Río Fraile 2,6 ± 0.05

Esta información muestra una gran aptitud a la segregación de los concretes que se preparan con éstos materiales triturados diabásicos, máximo cuando la tendencia es emplear concretos fluidos que se compactan con vibradores. Las arenas poseen distinta gravedad especifica a la de las diabasas. Es importante ubicar fuentes de agregados que eviten este problema potencial. Los más indicados serían los agregados gruesos calcáreos cuyas gravedades especificas están entre 2.50 y 2.65.

• ABSORCIÓN Y HUMEDAD SUPERFICIAL.

La norma NTC 237 define el procedimiento para tal fin. La absorción y la humedad superficial de la arena deben conocerse con el fin de controlar la cantidad de agua cuando se dosifica el mortero por peso, así se puede definir el peso correcto de la arena en la mezcla

El Comité C-9 de la ASTM ha aceptado la siguiente definición: "Absorción es el proceso por el cual un liquido penetra y tiende a Ilenar los poros permeables de un cuerpo sólido poroso; también es el incremento en peso de un cuerpo sólido poroso resultante de la penetración de un líquido en los poros permeables". El incremento en peso se expresa, como un porcentaje del peso seco del agregado y excluye el agua adherida superficialmente.

Se denomina humedad libre, aquella que se encuentra sobre la superficie de una partícula de agregado o se encuentra en los vacíos o espacios huecos entre partículas a causa de las fuerzas de tensión superficial. La condición de humedad de los agregados se observa en la figura Nº 10.

FIGURA Nº 10: ESTADOS DE HUMEDAD DEL AGREGADO

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El valor de absorción de los agregados utilizados en la zona de Cali es:

o Agregados Triturados: 0.5 a 1.2 %

o Agregados de Canto Rodado: 0.8 a 1.8 %

o Arenas río Cauca: 2.4 a 2.6 %

Ejemplo de la corrección de la dosificación del concreto en función de la humedad y la absorción de los agregados empleados.

Sí una dosificación estipulada en peso y en S.S.S., fuera de:

Materiales kg/m3 de concreto

Cemento 370

Arena 760

Grava 1100

Agua 185

y los agregados a utilizar tuvieran las siguientes características:

% Absorción % Humedad % Humedad libre

Arena 2.5 3.5 1.0

Grava 0.75 0.25 0.5

las correcciones para hacer la mezcla estipulada serían:

Arena 760 kg + 760 x 0.01 = 767.6 kg

Grava 1100 kg - 1100 x 0.005 = 1094.5 kg

Agua 185 lts - 7.6 lts + 5.5 Its = 182.9 Its

Medida de la humedad

Toda medida de humedad debe estar respaldada por un buen muestreo. Existen diversos métodos para efectuar estas medidas, siendo los más empleados en obras los siguientes:

a. Secando el agregado rociándolo con alcohol u otro combustible líquido y midiendo la pérdida de peso de la muestra original. A este método se le denomina “método del sartén” y es fácil y confiable de ejecutar en obra. Exige un tiempo de 10 a 15 minutos por muestra.

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b. Empleando un “Speedy Tester" cuyo principio está basado en la formación de acetileno (gas) que ejerce una presión en el recipiente en que ha ocurrido la reacción entre el cloruro de calcio y el agua contenida en los agregados. La presión ejercida se transforma en una medida del porcentaje de humedad. Su lectura es rápida, no mayor de tres minutos. Es una prueba confiable.

c. Utilizando un horno en el cual se introduce una muestra durante 24 horas a una temperatura de 105 ± 5 ºC

Es recomendable que los agregados posean una humedad libre positiva, pues al desconocerse la velocidad de absorción libre, se generan dificultades para el control de la trabajabilidad de la mezcla. También debe trabajarse así, cuando los agregados tengan una velocidad de absorción inicial alta.

Se deben mojar siempre los agregados que se suponen secos. En época de verano los agregados gruesos también adquieren absorción libre, por ello es prudente mojarlos permanentemente. En general los agregados gruesos después de mojarse permanecen en estado de superficie seca saturada. En las arenas la humedad permanece casi constante en el interior de los arrumes y sólo pierde la humedad en la superficie de este. Si el movimiento o extracción del material es rápido se puede asumir que la arena posee una humedad similar durante 5 a 6 horas, así que la medida de humedad se debe realizar en las primeras horas de la mañana y en las primeras horas de la tarde. El procedimiento cambia cuando se presentan lluvias.

• HINCHAMIENTO DE LA ARENA.

Todo material fino tiene un incremento de su volumen cuando se encuentra húmedo, pues la humedad superficial mantiene separadas las partículas. La magnitud del hinchamiento varía en función del contenido de humedad libre y la granulometría de las partículas, siendo mayor entre más fina sea un material o agregado. Dado que la arena en general siempre llega húmeda o esta expuesta a las lluvias, presenta variaciones en su peso volumétrico alterándose así la dosificación de la mezcla que se realiza por volumen.

Cuando se dosifica por volumen es necesario efectuar la corrección de hinchamiento, pues de lo contrario se está incorporando menos arena para la misma dosis de cemento, lo que exige una mayor demanda de agua para conseguir la trabajabilidad buscada y por conclusión, se consigue un mortero de baja calidad tanto en resistencia mecánica, adherencia y durabilidad. También, el rendimiento de la mezcla se reducirá y ello se apreciará mejor sí la arena se compra por volumen y se dosifica por peso, como ocurre en las plantas prefabricadoras o premezcladoras.

En figura Nº 11 y Nº 12, se presentan los gráficos que relacionan el % de humedad con el % de hinchamiento y el peso unitario compactado de la arena del río Cauca empleada en Cali para elaborar morteros.

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Figura Nº 11: % Humedad v.s. % Hinchamiento

y = 0.0083x 3 - 0.4702x 2 + 7.3272x - 5.7354R 2 = 0.7896

0

10

20

30

40

0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 24.00% Humedad

% H

inch

amie

nto

Figura Nº 12: % Humedad v.s. Peso Unitario Suelto

y = -0.1417x 3 + 7.1918x 2 - 88.885x + 1441.1R 2 = 0.9399

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

0 4 8 12 16 20 2

% Humedad

Peso

Uni

tario

Sue

lto (k

g/m

3 )

4

En toda obra se puede medir el factor de hinchamiento que permite corregir las proporciones en volumen de una mezcla dada de concreto. El método se basa en que el volumen de la arena seca es igual al volumen de la arena mojada o inundada. Se procede de la siguiente manera:

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a. Se toma un recipiente - tarro de boca ancha de paredes rectas - y se empaca la arena dejándola caer libremente, en forma suelta. Se enrasa el nivel de la arena con el borde del tarro.

b. Se extrae la arena colocándola toda en otro recipiente. El tarro se llena parcialmente con agua. (al rededor del 40% de su capacidad) De nuevo, se introduce en el tarro de forma gradual la arena inicial, acompañando esto de una agitación para extraer las burbujas de aire atrapado y permitir que la arena se asiente. Concluida la adición de la arena se enrasa el recipiente con agua.

c. Se realizan mínimo 6 mediciones de la profundidad que tiene la arena después de enrasar con el agua. Para ello se introduce una regla o escala en centímetros observando la distancia entre el borde del tarro y la superficie de la arena, que se toca con el extremo de la regla. Se obtiene un promedio de la medición cuidando que esta se realice tanto en el borde como en el centro del tarro.

d. Como el recipiente empleado posee un área constante, el factor de hinchamiento se calcula por las variaciones de la altura. Si la altura total del recipiente es h0 y la altura final que posee la arena inundada es h1 el factor de hinchamiento será la relación entre ho/h1. Este factor debe multiplicar al volumen de arena definido en el diseño de mezclas, siempre y cuando se encuentre expresado en volumen. Ver figura Nº 13.

2.0cm4.0cm

6.0cm

h0 = 6.0 cm.

h1 = 4.0 cm.

∆h = 2.0 cm.

% Hinchamiento = (∆h/h1)x 100 = 50%

Factor de hinchamiento = (h0/ h1) = 1.5

FIGURA Nº 13: MEDIDA DEL HINCHAMIENTO

Ejemplo de la corrección de una mezcla por hinchamiento de la Arena Si en un diseño de mezcla se define que el contenido de arena en sss es de 800 kg/m3, ¿cuánta es la arena real a dosificar en volumen, si la arena posee las siguientes características?

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Peso Unitario Suelto (sss) 1.400 kg/m3

% Absorción 3.0 % % Humedad 6.0 % % Hinchamiento 15.0 % Factor de hinchamiento 1.15

o Se transforma el peso de la arena a volumen:

800 kg arena equivalen a (800 kg/1400 kg/m3) = 0. 571 m3 de arena en sss.

o Correcciones por hinchamiento Volumen a medir = 1. 15 x 0. 571 m3 = 0. 657 m3

Si no se hace la corrección, se dejan de medir 0.086 m3, que equivalen al 13.1% de la arena. Por lo anterior, el rendimiento del mortero se reduce.

2.4.5 SUSTANCIAS PERJUDICIALES

Las sustancias perjudiciales en un agregado son varias y pueden influir en las propiedades de la mezcla. Son las siguientes:

• LAS IMPUREZAS ORGÁNICAS

Afectan el fraguado y el desarrollo de la resistencia del cemento. También pueden llegar a afectar la durabilidad de la mezcla. En las normas NTC 127 y 579, se estipula el método de ensayo para determinar las impurezas orgánicas de una arena y el método para evaluar los efectos de estas sobre la resistencia del mortero. Las impurezas orgánicas se miden con una escala de colores denominada de GARDNER. Como es una escala difícil de conseguir se ha tratado de asimilar esos colores a algunos fácilmente identificables. Esa comparación se presenta en la Tabla Nº 30 a continuación.

TABLA Nº 30: ESCALA DE GARDNER PARA ANALIZAR LAS IMPUREZAS ORGÁNICAS, ASIMILACIÓN CON COLORES CONOCIDOS

COLOR GARDNER ESTÁNDAR Nº

PLACA ORGÁNICA Nº

COLOR DE REFERENCIA PRÁCTICO

5 1 Claro transparente o jugo de limón

8 2 Jugo de piña

11 3 Anaranjado

14 4 Tamarindo

16 5 Ocre o rojo oscuro

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• LAS PARTÍCULAS MUY FINAS O RECUBRIMIENTOS

Afectan la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, a su vez incrementan la cantidad de agua requerida en la mezcla.

• LAS PARTÍCULAS DÉBILES, BLANDAS O INESTABLES

Afectan la trabajabilidad y la durabilidad de las mezclas y en alguna medida su resistencia. Algunas pueden producir manchas o reventones en las superficies del concreto. Entre ellas se encuentran: el carbón, la pirita, la mica, etc.

El ICONTEC ha elaborado normas para evaluar o detectar las partículas livianas en los agregados pétreos, el porcentaje de grumos de arcillas o terrones y las partículas deleznables en agregados. Estas normas son respectivamente las NTC 130, 177 y 589. La norma ICONTEC 179, especifica los Iimites para las sustancias dañinas en los agregados para concreto. En la tabla Nº 31 se presentan estos datos.

TABLA Nº 31: Límites de sustancias dañinas en los agregados para concreto

% máximo del total de la muestra

AGREGADOS Agregado Fino Agregado

grueso

• Partículas deleznables * 1.0 0. 25

• Material que pasa el tamiz #200 (74µ) Hormigón sujeto a desgaste

- Agregado Natural 3.0 -

- Agregado triturado 5.0 - Cualquier otro caso 5.0 1. 0

- Agregado triturado 7.0 1. 5

Materia Orgánica: Ensayo Colorimétrico # máximo 3.0 -

* los que puedan romperse con los dedos, por ejemplo los grumos de arcillas

Las arenas del río Cauca cercanas a la ciudad de Cali, en época de invierno presentan contenidos de materia orgánica altos, siendo esto la causa, en muchos de los casos, de las alteraciones en el fraguado y el desarrollo de resistencia de las mezclas producidas con ella.

Las impurezas orgánicas contenidas generalmente en las arenas, consisten en productos provenientes de la descomposición de materia vegetal, sobre todo el ácido tánico y sus derivados, y se manifiestan en forma de humus o margas orgánicas. No toda materia orgánica es dañina, por ello el ICONTEC en su norma 174 numeral 4.1.3 dice: “podrá usarse agregado fino que no cumpla el ensayo calorimétrico siempre y cuando al determinar el efecto de la materia orgánica sobre

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la resistencia del mortero, la resistencia relativa calculada a 28 días, no sea inferior al 95% ".

El ensayo referente a contenido de las impurezas orgánicas esta claramente descrito en la norma NTC 127. Asimismo en la norma NTC 579 se establece el efecto de las impurezas orgánicas del agregado fino en la resistencia de morteros y concreto.

En la norma NTC 2240, hay una especificación relativa a las sustancias dañinas y al máximo contenido permisible en una arena. En la tabla Nº 32, se adjuntan estos valores.

TABLA Nº 32: LÍMITES PARA SUSTANCIAS DAÑINAS EN LA ARENA, SEGÚN NORMA NTC 2240

MATERIAL % MÁXIMO PERMISIBLE DE LA MASA TOTAL

Partículas deleznables 1.0

Partículas livianas que floten en un líquido y presenten una gravedad específica de 2.0 0.5

2.4.6 SANIDAD DEL AGREGADO

Con este nombre se identifica la capacidad de cualquier agregado para resistir los cambios de volumen a que se ven sometidos por los permanentes cambios en las condiciones ambientales: hielo - deshielo, humedad - secado, calor - frío. En el país las circunstancias más exigentes en estos sentidos son en su orden: humedad - secado, calor - frío o choques térmicos. Muy raramente se presenta el fenómeno del hielo y deshielo. La norma NTC 126 trata sobre la sanidad de los agregados por ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio.

Un buen concreeto debe poseer una adecuada trabajabilidad, resistencia y durabilidad. No es lógico elaborar un concreto de fácil colocación y capaz de soportar la carga de trabajo, sí este no permanece funcionando, incluso estáticamente, por un periodo razonable de tiempo. El efecto de los agregados o de las partículas que lo componen en la durabilidad del concreto depende, en gran parte, de la estabilidad de volumen de ellas frente a los cambios físicos permanentes. Existen dos categorías de fallas en el agregado, dependiendo de la naturaleza del cambio de volumen que se inducen en el concreto. Estas son:

Cuando el cambio de volumen es negativo se denomina retracción. Se debe a la incapacidad de las partículas para mantener su integridad de tal manera que ellas se rompen en piezas más pequeñas. Si esto ocurre genéricamente el deterioro del concreto es total, pero se observa o localiza en zonas donde la superficie presenta descascaramientos o agrietamientos. (rocas fiables, arcillas en grumos, etc.)

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Una segunda causa, más peligrosa que la anterior, ocurre cuando las partículas se hinchan produciendo expansiones o fuerza expansivas en el concreto. Un ejemplo de esto son aquellas rocas laminares como las lutitas o los esquistos pizarrosos. Tales materiales cuando se exponen a cambios de humedad o a congelamiento estando saturados de agua, incrementan su volumen desarrollando suficientes presiones para ocasionar desintegración del elemento de concreto.

2.4.7 REACCIÓN ALCALIS - AGREGADOS.

Fue en 1940 cuando se conoció de la existencia de esta reacción. Todo se debió a la observación de las graves fallas que se observaron en tres grandes presas de embalse en el Estado de Colorado en U.S.A.

Por ejemplo la presa "Parker Dan" construida en 1938 presentaba en 1940 importantes fisuras a causa de la reacción de los álcalis contenidos en los cementos portland y los agrega dos silíceos utilizados. La reacción comienza con un ataque sobre los minerales silicosos del agregado por parte de los hidróxidos alcalinos derivados de los álcalis que contiene el cemento. Se forma así un gel de silicatos alcalinos, algunos de los cuales tienen un alto contenido de moléculas de agua.

Por ejemplo

Na2 SiO3 . 9H2O ó Na2 H2 Si04 . 8H2O

Unas fórmulas simplificadas y aceptadas del mecanismo de reacción, son: ( )20

a. En el caso de sílice reactiva:

NSiO2 + 2KOH + (n - 2)H2O K2H2(n - 1)(SiO2)n

b. En el caso de dolomita:

CaMg(CO3)2 + KOH K2CO3 + Mg(OH)2 + CaCO3

En condiciones húmedas se produce expansión del concreto, que para este caso se denomina "desdolomitización".

El gel de sílice es del tipo hinchable sin limites, que incorpora agua constantemente con una tendencia a aumentar su volumen. Como el gel está confinado por la pasta de cemento, aparecen presiones internas que conducen finalmente a la producción de grietas por expansiones y por ende ruptura de la pasta. Luego, una parte blanda del gel formado es transportado por el agua a las grietas que se habían formado previamente.

20 Lea, F. M., “The Chemistry of Cement and Concrete”, 3º edition, Chemical Publishing Company, Inc., 1971

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Algunos factores que propician el desarrollo de esta reacción es la existencia de agua no evaporable en la pasta y la permeabilidad de ella. La humedad es necesaria y la reacción se acelera cuando se presentan condiciones de secado y humedad secuencialmente. Otro factor que interviene acelerando la reacción es la temperatura. El problema para ser predeterminado es complejo, aun así existen algunos ensayos para efectuar evaluaciones de reactividad potencial. La norma ICONTEC 175 contempla el ensayo químico para determinar la reactividad potencial de agregados consistente en medir la pérdida de la alcalinidad de una solución normal de NaOH al ponerse en contacto con el agregado pulverizado (Tamiz # 200) a 80 ºC durante 24 horas. Con esta prueba se mide también la sílice disuelta. Existe una curva patrón, planteada por la norma, que correlaciona la reducción de alcalinidad v.s. sílice disuelta. Los resultados encontrados se confrontan con este patrón que define la potencialidad de la reacción.

Los agregados reactivos pueden ser

Opalo, horsteno, pedernal, calcedonia. (cristales ocultos o sílice amorfa) Rocas volcánicas ígneas mal cristalizadas Caliza Silicificada Dolomita esquistosa

La reacción es lenta y tarda más de 8 meses. Se evita: ( )21

Utilizando cementos de bajo contenido en álcalis, no más de 0.6 % Na2O. Este porcentaje se calcula mediante estequiometría, así:

(Na2O real + 0.658 K2O) del clinker de cemento

Agregando puzolanas a la mezcla del concreto. Esta se combina rápidamente con los álcalis solubles. La escoria de alto horno tiene un efecto similar pero más débil. La adición de puzolana deberá ser suficiente pues una cantidad insuficiente puede agravar la situación. En general se recomienda agregar 20 gr de sílice reactiva por 1,0 gramo de álcalis en exceso del 0.5% del peso del cemento. La norma ASTM C227 describe un método eficaz para medir la reactividad de los agregados a los álcalis, basado en pruebas de expansión de barras de mortero. Cuando después de 3 meses, la barra que contiene al agregado en cuestión, da una expansión mayor al 0.05% o más del 0.1%, a los seis meses, el agregado se considera peligroso. Esta prueba tiene su desventaja por el tiempo considerable para tomar una decisión. Existe una correlación entre el (%) de sílice reactiva y la expansión de las barras de morteros. Ver figura Nº 14. En esta figura se observa las ventajas de la adición de la sílice reactiva en la expansión generada por la reacción de álcalis agregados.

21 IMCYC – 20, “Durabilidad del Concreto”, ACI 201, Instituto Mexicano del Cemento y del

Concreto, 1979.

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Una de las causas posibles que puede permitir un incremento de los álcalis del cemento en nuestro país, es el control de la contaminación de polvos de la industria cementera. Los álcalis son muy volátiles en especial el potasio y mientras no se planteó la necesidad de la captación de polvos, ellos eran evacuados en conjunto. Ahora, cuando estos polvos son reciclados al proceso, se genera un ciclo de álcalis con un incremento constante en su concentración tanto en el horno corno en el clinker producido.

La industria cementera deberá controlar exhaustivamente este aspecto a fin de garantizar un bajo contenido de álcalis en sus cementos y con más razón aun, cuando algunos agregados empleados, como las diabasas (roca azul) de la zona de Cali, tienen una potencialidad de reacción frente a ellos.

FIGURA Nº 14: RELACIÓN ENTRE LA EXPANSIÓN DESPUES DE 224 DÍAS Y EL CONTENIDO DE SÍLICE

REACTIVA

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

% de Sílice Reactiva

Expa

nsió

n (%

)

2.4.8 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

Este nombre define al análisis del resultado obtenido de la separación de las diferentes fracciones de tamaño que posee un agregado. En la practica cada fracción posee partículas de diferentes tamaños dentro de unos limites definidos por las normas técnicas. Para ello se siguen las siguientes: NTC 32, 77, 78 y 2240.

Para efectuar el análisis granulométrico, los tamices a emplear genéricamente son: 50.8 mm (2”), 38.1 mm (1½”), 25.4 mm (1”), 19.0 mm (¾”), 12.7 mm (½”), 9.51 mm (⅜”), 4.76 mm (#4), 2.38 mm (#8), 1.19 mm (#16), 595 µ (#30), 297 µ (#50), 149 µ

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(#100), 74 µ (#200) Los tamices en negrita constituyen la serie más indicada para todo trabajo. Obsérvese que su relación de tamaños siempre es 2.

El análisis granulométrico se puede representar gráficamente utilizando un papel semilogarítmico. La escala logarítmica en las abcisas mostrando las aberturas de los tamices, en las ordenadas y a escala natural, se indican los porcentajes acumulados, sean retenidos o que pasan. Cuando se emplea la serie de tamices con relación entre uno y otro de 2, la escala logarítmica estará siempre en la misma razón y por ello las separaciones entre los tamices serán iguales. El análisis se expresa como se indica en la Tabla Nº 33.

TABLA Nº 33: ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE UNA ARENA

Tamiz

mm #

Peso retenido

(g.)

% Retenido

% Retenido acumulado % Pasa

9.51 3/8 0.0 0.0 0.0 100.0

4.76 4 58.0 5.8 5.8 94.2

2.38 8 108.0 10.8 16.6 83.4

1.19 16 98.0 9.8 26.4 73.6

0.595 30 180.0 17.9 44.3 55.7

0.297 50 330.0 32.9 77.2 22.8

0.149 100 170.0 16.9 94.1 5.9

pasa 0.149 pasa 100 60.0 5.9

TOTAL 1 004.0 264.4 Módulo de Finura 2.64

• MÓDULO DE FINURA.

El módulo de finura es la suma de los porcentajes retenidos acumulados, medidos en la serie de tamices cuya abertura esté en relación de 1 a 2, dividido entre 100. Para el caso del ejemplo referido en la Tabla Nº 32, el módulo de finura se calcula así:

64.210

4.26410

.Re%=== ∑ acumt

finuradeMódulo

El valor del módulo de finura corresponde al tamaño promedio ponderado de la arena y se expresa en función de la apertura del tamiz, contando desde el tamiz menor (# 100) hacia el mayor. En el ejemplo se puede interpretar que el módulo de finura de 2.64 significa que el tamaño promedio de partícula de la arena, se encuentra entre los tamices Nº 50 (297µ) y el Nº 30 (595µ), y éste está desplazado hacia el tamiz # 30. Este no es un parámetro que represente una distribución

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granulométrica, por ello un mismo valor representa un numero infinito de distribuciones o curvas granulométricas distintas. Es útil para medir las variaciones del agregado que proviene de una misma fuente. La uniformidad del comportamiento de la mezcla es tan importante, que se especifica un control sobre la granulometría de la arena mediante el módulo de finura de tal manera, que al menos cuatro de cinco ensayos consecutivos de muestras de distintas arenas empleadas para preparar una mezcla de similares características entre ellas, no deberán variar más que en 0.20 del promedio de módulo de finura obtenido de todas las muestras probadas. Esta es la especificación de la norma NTC 2240. Cuando no se cumple con éste módulo de finura, se deberá rechazar la arena o rediseñar la mezcla.

• IMPORTANCIA DE LA GRANULOMETRÍA

Existen criterios que permiten decidir si una granulometria particular es o no adecuada. Aun más, un problema siempre presente es: ¿Cuál debe ser la mezcla entre agregados finos y gruesos para obtener el mayor concreto?.

Como la resistencia de un concreto colocado óptimamente, para una relación a/c dada, no tiene que ver con la granulometria de los agregados empleados, la importancia de la granulometria radicará en el efecto que tenga sobre la trabajabilidad de la mezcla. Como la resistencia del concreto, para una relación a/c cualquiera, es función de la compacidad que se alcance y dicho estado de compactación dependerá fundamentalmente de la trabajabilidad de la mezcla, es necesario producir una mezcla que pueda compactarse a su densidad máxima con la menor cantidad de trabajo posible.

No existe una curva ideal de granulometría y ninguno de los métodos propuestos tienen una aplicación universal, puesto que hay necesidad de hacer consideraciones económicas para producir concretos con materiales locales baratos. Así mismo, se deben considerar el efecto de la forma y la textura superficial de los agregados e igualmente las diferentes finuras de los cementos con que se puede trabajar en la localidad.

Son cuatro los factores principales que definen la granulometria deseada de un agregado:

a. El área superficial del agregado. Define Ia cantidad de agua necesaria para humedecer todos los sólidos.

b. El volumen relativo que ocupa un agregado c. La trabajabilidad de la mezcla. d. La tendencia a la segregación de la mezcla.

Los dos primeros están en función de la forma, la textura superficial y el recubrimiento de los agregados. Respecto al área superficial de los agregados, la relación a/c se fija normalmente por consideraciones de resistencias. Pero la cantidad de pasta (agua+cemento) debe ser suficiente para cubrir la superficie de todas las partículas, de tal manera que si se reduce el área superficial de los

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agregados se necesitará menos pasta y por ende menos agua. Así mismo, cuando se busca que los agregados ocupen la mayor parte del volumen del concreto no solamente se hace por consideraciones económicas, dado que el agregado es más barato que la pasta, sino por consideraciones técnicas pues una mezcla rica resulta entre otros, con problemas de estabilidad de volumen. Se estima que un concreto bien empacado con una alta participación de agregados, en su volumen, será mis denso y por ende más resistente. Esto resume la teoría de buscar la granulometría que permita una densidad máxima. Sin embargo se puede asegurar, que toda granulometria que produzca una máxima densidad genera mezclas ásperas y poco trabajables. Dicha trabajabilidad se mejora si hay un exceso de pasta sobre la necesaria, para llenar los huecos de la arena y así mismo, si hay un exceso de mortero (cemento, agua y arena) mayor que el necesario para reIlenar los huecos de los agregados gruesos.

El concepto ó la teoría de la máxima densidad, se ilustró anteriormente con el método para calcular la relación de huecos o de espacios libres en un agregado, o es posible determinarla por el procedimiento que se trata en seguida.

• DETERMINACIÓN DEL ESPACIO LIBRE MÍNIMO (% ESPACIO VACÍO)

Es necesario conocer previamente de cada agregado: la humedad, el peso unitario suelto y compactado, la absorción y la gravedad específica. Así mismo, hay que determinar la velocidad inicial de absorción. El procedimiento es el siguiente:

En una probeta graduada (mínimo 1000 cm3 de capacidad), se introduce una muestra representativa del agregado en prueba, siempre y cuando éste se encuentre en estado de absorción libre. El agregado se cubre totalmente con agua, buscando enrasar el menisco con alguna marca de graduación de la probeta, siempre por encima de la superficie del agregado superior. Ver Figura Nº 15. Se mide el cambio de volumen presentado en los primeros 10 minutos de la prueba. Si éste es imperceptible o mínimo, se considera como constante la absorción y se procede a la determinación de los espacios libres utilizando el método con agua. Caso contrario, será necesario trabajar con los agregados en estado de superficie seca saturada.

Nivel Original = 1000 cc Nivel final = 998 cc Diferencia = 2 cc % = 0.2 Valor no significativo.

Figura Nº 15: Medición de la Velocidad de Absorción

750

500

250

1000998

A. Salazar 90


Determinación de la Proporción Óptima de Agregados por el Método de Espacios Libres o Porcentaje de Vacíos.

Consiste en ensayar las mezclas de los agregados con las proporciones en peso de arena y grava siguientes:

0:100, 35:65, 40:60, 45:55, 50:50, 55:45, 100:0

Se determina el peso unitario compactado de cada una de las mezclas de agregados. Los agregados deberán estar en el estado en que se encuentran en el depósito y así se deberán probar. Sí el resultado de la prueba de velocidad inicial de absorción del agregado no es significativo, se continúa el experimento. Si la velocidad de absorción inicial es significativa, los agregados deberán llevarse al estado de superficie seca saturada.

En el mismo recipiente de la prueba de peso unitario y con el material compactado, se procede a incorporar agua hasta que ella se rebose. Se determina la cantidad de agua adicionada. Este valor corresponde al espacio vacío en volumen. Como se conoce el volumen inicial del recipiente, se puede determinar cual es el porcentaje de espacio vacío resultante. Se construye una gráfica de % espacio vacío v.s. proporción de agregados. Se encuentra por interpolación cual es el mínimo valor de porcentaje y se identifica la proporción de agregados. Ver figura Nº 16.

Figura Nº 16: % de Finos v.s. % Espacios Vacíos

y = 0.0073x2 - 0.7144x + 41.837R2 = 0.9941

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

% de Finos

% E

spac

ios

Vací

os

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• TAMAÑO MÁXIMO DE UN AGREGADO

Cuanto mayor es el tamaño de la partícula de agregado, se reduce el área superficial necesaria para ser humectada por la pasta de cemento. Así, toda granulometría que se desplace hacia un tamaño máximo mayor reducirá las necesidades de agua en la mezcla, de tal forma que para una trabajabilidad y riqueza de cemento determinada, se puede reducir la relación a/c obteniéndose el benéfico del incremento en la resistencia. Este efecto se ha verificado en ensayos con agregados hasta de 38.1 mm (1½”) de tamaño máximo y se supone que el efecto se mantiene con agregados de mayor tamaño. Así pues, cuando la cantidad de cemento se incrementa para un tamaño máximo definido, entre mayor sea ese tamaño máximo, habrá una óptima cantidad de cemento con la cual se conseguirá la mejor resistencia del concreto. Todo exceso generará una pérdida de resistencia ocasionada generalmente por la retracción de la pasta de cemento que separa ampliamente los granos de los agregados. ( )22 En la figura Nº 17 se muestra esta situación.

FIGURA Nº 17: Influencia del Tamaño Máximo del Agregado sobre la Resistencia a Compresión a 28 días de Concretos

con diferentes cantidades de Cemento.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tamaño máx. (mm)

f'c (M

Pa)

170 (kg cto./m3) 280 (kg cto./m3) 330 (kg cto./m3) 390 (kg cto./m3)

22 Neville, A. M., “Properties of Concrete”, 4º edition, John Wiley & Sons, Inc., 1997.

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El Chicago Committee on High-Rise Buildings ( )23 presentó hace algunos años, un trabajo que relacionaba el tamaño máximo del agregado grueso y la eficiencia del cemento. En este se determinó que para concretos de altas resistencias es necesario reducir el tamaño máximo del agregado a fin de incrementar la superficie especifica total de la matriz agregado y así darle al cemento una mayor superficie que recubrir, generando una mejor adherencia y por ende una mayor resistencia del concreto.

• GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO

La granulometria de los agregados finos genera un mayor efecto sobre la trabajabilidad del concreto que el aportado por el agregado grueso. Si la matriz mortero es trabajable y además cumple con otras propiedades, será posible garantizar la trabajabilidad del concreto, siempre y cuando se emplee suficiente mortero para Ilenar los huecos generados por los agregados gruesos y a su vez separar dichas partículas para que se muevan en el mortero sin interferencia.

La experiencia muestra que las arenas muy gruesas o muy finas son inconvenientes para hacer mezclas de concreto. Las arenas gruesas generan mezclas ásperas, segregables y con aptitud al sangrado; las arenas finas exigirán mayor contenido de agua para producir una determinada fluidez y así tenderán a causar segregación de la mezcla.

Si el contenido de cemento es bajo (relación a/c alta) y la arena tiene pocos finos, la adición de polvos inertes será beneficiosa para mejorar la trabajabilidad, reducir la exudación ó sangrado, aumentar las resistencias y disminuir la permeabilidad. El efecto se produce cuando se evita el sangrado y se reduce la cantidad de agua que se almacena debajo de los agregados gruesos. De esta manera se mejora la distribución de los poros en la masa del concreto.

La granulometría apropiada para un agregado fino, depende de la riqueza de la mezcla, del tamaño máximo del agregado grueso y del tipo de trabajo requerido. En términos generales, cuando se tiene constante la relación a/c y se elige correctamente la relación Agregado fino/Agregado grueso, se puede usar una amplia variación granulométrica, sin que haya un efecto apreciable sobre la resistencia.

La norma NTC 174, da algunas recomendaciones para definir la granulometria de un agregado fino para concreto. Estas se presentan en la tabla Nº 34. Así mismo en la norma se especifica que entre dos tamices consecutivos no debe haber más de un 45% de material retenido. También plantea que es posible reducir los valores mínimos estipulados en la tabla anterior para los tamices #50 y #100 hasta 5 y 0% respectivamente, siempre que se cumpla con las siguientes condiciones:

23 Task Force Report, “High-Strength Concrete in Chicago high-rise buildings”, Report Nº 5,

1977.

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ο El agregado se usará en una mezcla incorporada con aire, en al menos el 3%, y que contenga más de 250 kg de cemento por m3 cúbico de concreto.

ο Se utilicen más de 306 kg de cemento por m3 de concreto sin inclusión de aire

ο Se emplee un aditivo mineral aprobado, para evitar la deficiencia de material que pase por estos tamices.

TABLA Nº 34: RANGO GRANULOMÉTRICO DE LA ARENA PARA USO EN CONCRETO, ESTIPULADO POR LA NORMA NTC 174

TAMIZ ICONTEC % ACUMULADO QUE PASA

9.51 mm 100

4.76 mm 95 - 100

2. 38 mm 80 - 100

1.19 mm 50 - 85

595 µ 25 - 60

297 µ 10 - 30

149 µ 2 - 10

El módulo de finura de la arena para preparar concretos no será menor de 2.3 ni mayor de 3.1, ni debe variar durante la preparación de la mezcla de concreto en ± 0.15 del valor inicial. Sí se difiere de este rango, el agregado fino se rechaza, o se deben realizar los ajustes pertinentes en las proporciones del agregado fino y del agregado grueso.

En la Figura Nº 18 se presenta la curva recomendada por la norma NTC 2240 para definir la granulometría de las arenas utilizadas en la preparación de los morteros de mampostería. La curva corresponde a la arena natural. Esta norma plantea que entre dos tamices consecutivos no debe haber más de un 50% de material retenido. Entre los tamices #50 (300µ) y #100 (150µ) tampoco puede haber más de un 25 % de material retenido. También se define un rango granulométrico cuando se trata de emplear arena manufacturada o triturada. En este caso se permite que haya un porcentaje de material que pase la malla #100 del 10 al 25 % y que pase la malla #200 (75µ) entre 0 y 10%. Por experiencia del autor, la arena óptima para preparar los morteros de pega y de recubrimiento y conseguir las mejores propiedades, es aquella cuyo tamaño máximo es de 2.36 mm (tamiz malla # 8)

A. Salazar 94


A. Salazar 95

La norma ICONTEC 174, da la siguiente recomendación granulométrica para agregados gruesos. Ver tabla Nº 35.

⅓ del espesor de las losas sin refuerzo situadas sobre el terreno.

¾ de la distancia libre entre refuerzos o entre éstos y los moldes

1/5 de la dimensión mínima de los miembros sin refuerzo

• GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO GRUESO

El tamaño máximo del agregado, depende generalmente del tipo de obra en cuanto a su forma, tamaño y distribución y cantidad de los aceros de refuerzo. El tamaño máximo no debe exceder de:

En la práctica, es más fácil y económico conseguir que el agregado grueso cumpla con una calidad uniforme en su proceso de fabricación, que estar ajustando las proporciones por variaciones en la granulometría.

Es una regla, que existen menos dificultades para proveer una granulometría adecuada de un agregado grueso que la de una arena. Para un tamaño máximo dado, ésta puede fluctuar dentro de una gama amplia de valores sin producir efectos significativos en las cantidades de cemento y agua, si la proporción de agregado fino produce concreto manejable. Si ocurrieren grandes variaciones en la granulometría del agregado grueso, habría necesidad de arreglar la relación Agregado fino/Agregado grueso para conseguir un concreto trabajable.

Figura Nº 18: Rango de Granulometría de la Arena Natural para preparar Morteros según la norma NTC

2240

40

60

80

100

1 10

mm.)

% P

asa

0

20

0.01 0.1

Tamaño (


A. Salazar 96

TABLA Nº 35: GRANULOMETRÍA DE LOS AGREGADOS GRUESOS SEGUN NTC 174

(%) QUE PASA AGREGADOS

TAMAÑO NOMINAL

mm 101.1 mm

90.5 mm

76.1 mm

64.0 mm

50.8 mm

38.1 mm

25.4 mm

19.0 mm

12.7 mm

9.51 mm

4.76 mm

2.38 mm

1.19 mm

0 90.5 a 38.1 100 90 a 100 25 a 60 0 a 15 0 a 5

1 64.0 a 38.1 100 90 a 100 35 a 70 0 a 15 0 a 5

2 50.8 a 4.76 100 95 a 100 35 a 70 10 a 30 0 a 5

3 38.1 a 4.76 100 95 a 100 35 a 70 10 a 30 0 a 5

4 25.4 a 4.76 100 95 a 100 25 a 60 0 a 10 0 a 5

5 19.0 a 4.76 100 90 a 100 22 a 55 0 a 10 0 a 5

6 12.7 a 4.76 100 90 a 100 40 a 70 0 a 15 0 a 5

7 9.51 a 2.38 100 85 a 100 10 a 30 0 a 10 0 a 5

8 50.8 a 25.4 100 90 a 100 35 a 70 0 a 15 0 a 5

9 38.1 a 19.0 100 90 a 100 20 a 55 0 a 15 0 a 5


• COMBINACIONES GRANULOMÉTRICAS

a. Métodos de Fuller Y Weymouth

La curva de Fuller y Thompson se define por la siguiente ecuación:

DdPd 100= (1)

Pd = % en peso que pasa por el tamiz d

D = Tamaño máximo del agregado

La curva de Wymouth se define por la siguiente ecuación:

n

d DdP ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (2)

Donde n es un valor inferior a 0.5

García Balado sugiere los siguientes valores para n

d n

76.2 mm 0.230

38.1 mm 0.268

19.0 mm 0.292

9.51 mm 0.304

# 4 hasta #100 0.305

Como los valores encontrados con las ecuaciones (1) y (2) para la malla # 100 son muy altos, 6% en promedio, se hace una modificación a estos, con el objeto de reducirlos. Ello correspondería a un 6% de la fracción de la arena. Los valores corregidos se calculan con las siguientes fórmulas:

4#Re06.0100#ReRe94100

tenidotenidodtenido

CORREGIDOdP −−=

Pddtenido −=100Re

Ptenido 100100100#Re −=

Ptenido 41004#Re −=

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Vale la pena anotar, que el método de Fuller se emplea para los diseños de concretos que vayan a ser compactados enérgicamente, el de Wymouth para los diseños de concretes que vayan a compactarse con vibrador normal (bajas revoluciones) o en forma manual.

b. Ejemplo de combinación granulométrica.

Sean los siguientes agregados gruesos y finos a combinar. (Ver tabla Nº 36)

TABLA Nº 36: AGREGADOS GRUESOS Y FINOS A COMBINAR

% PASA TAMIZ mm

Arena Grava Fuller corr. Weymouth corr,

38.1 100.0 100.0 100 100

25.4 100.0 75.0 80.8 --

19.0 100.0 36.0 69.4 78.1

9.51 97.0 1.0 47.8 59.0 4.76 91.0 0 32.5 43.9

2.38 81.0 0 21.6 31.9

1.19 70.0 0 14.0 22.2

0.595 33.0 0 8.6 14.2

0.297 6.0 0 4.7 7.9

0.149 1.0 0 2.0 2.7

Solución Fuller y/o Wymouth.

1. Se buscan los tamices de contacto para iniciar el análisis, estos son 19.0 mm y 9.51 mm (Ver figura Nº 8)

2. Se define el tamaño máximo del agregado grueso, para este caso 38.1 mm y se escribe en la tabla Nº 7, la gradación ideal corregida para Fuller y Weymouth.

3. Se inicia el análisis asumiendo como punto de intersección de los 2 agregados el tamiz 9.51 mm. Sí se observa en la gradación de Fuller y Weymouth, el material por encima del tamiz 9.51 mm corresponderá a la fracción del agregado grueso. Para este ejemplo el valor sera 52.2% para Fuller y 41.0% para Weymouth. Por lo tanto al material fino le correspondería un 47.8% y 59.0% respectivamente.

4. Sí se emplea el criterio de Fuller, se multiplican los valores de las granulometrías de la arena y la grava por los porcentajes establecidos y los

A. Salazar 98


resultados, tamaño por tamaño, se suman entre sí y la sumatoria se compara con la curva ideal de fuller. En la tabla Nº 37 se presentan los resultados.

5. Se construye un gráfico en una escala semilogarítmico, con las curvas de Fuller y la de la sumatoria. Ver figura Nº 19. Se analiza que tan parecidas están las dos curvas y sí hace falta, se inicia un proceso de ajuste hasta asimilarlas lo más posible. El procedimiento se puede emplear para combinar más de dos agregados, así se logran mejores acercamientos de las curvas.

TABLA Nº 37: COMBINACION GRANULOMETRICA

Arena Grava Σ1 Arena Grava Σ2

* O.478 * O.522 (1)+(2) * O.40 * O.60 (4)+(5) Tamices

(1) (2) (3) (4) (5) (6) 38.1 47.8 52.2 100.0 40.0 60.0 100.025.4 47.8 39.2 87.0 40.0 45.0 85.019.0 47.8 18.8 66.6 40.0 21.6 61.69.51 46.4 0.5 46.9 38.8 0.6 39.44.76 43.5 0.9 43.5 36.4 0.0 36.42.38 38.7 0.0 38.7 32.4 0.0 32.41.19 33.5 0.0 33.5 28.0 0.0 28.00.595 15.8 0.0 15.8 13.2 0.0 13.20.297 2.9 0.0 2.9 2.4 0.0 2.40.149 0.5 0.0 0.5 0.4 0.0 0.4

Como se observa, para el primer ensayo se obtuvo una combinación con un alto contenido de arenas, entonces se decidió repetir los cálculos reduciendo la arena al 40%. Como se observa, se redujo la "barriga" correspondiente a la arena pero se incrementó la deficiencia del agregado grueso. En general, el problema se agudiza cuando los materiales a combinar no posean unos buenos puntos de contacto.

A. Salazar 99


Figura Nº 19: Curva Granulométrica

0102030405060708090

100

0.1 1 10 100

Tamiz (mm)

% P

asa 1º aprox

2º aproxFuller

5 LA CALIDAD DE LAS AGUAS PARA PREPARAR CONCRETOS Y MORTEROS ( )24

5.1 INTRODUCCIÓN

El agua puede destruir mecánicamente piedras y materiales de construcción minerales, rebajando y puliendo su superficie por rozamiento. A esto se le llama erosión. Este fenómeno puede apreciarse con claridad en los canales de agua; también se puede observar en donde más afectan los agentes climatológicos a las rocas y edificios, cuando el agua, por la presión del viento, llega hasta las superficies verticales resbalando después por ellas.

Los cambios de calor y frío, humedad y secado, originan dilataciones y contracciones tanto de las rocas en la naturaleza libre como en la roca artificial, y hasta en el concreto de nuestras obras. Debido a tales variaciones de dimensiones aparecen tensiones en el material, que fácilmente pueden sobrepasar los límites de resistencia y dar lugar a la formación de grietas. Después penetra el agua en dichas grietas y actúa físicamente en forma destructiva cuando por ejemplo, debido al enfriamiento, se transforma en hielo aumentando su volumen. Tales aumentos de volumen pueden llegar al 10 %. Las fuerzas que entonces se producen amplían las grietas hasta causar divisiones, separando, finalmente, entre sí las paredes rocosas,

24 Salazar, A., “Morteros de pega para muros de mampostería”, 1º Edición, Facultad de

Ingeniería, universidad del Valle, Abril 2000.

A. Salazar 100


o bien levantan capas finas o incluso gruesas de la superficie de una obra, pudiéndose apreciar esto exactamente en las carreteras de concreto.

La fuerza destructora más intensa que ejerce el agua se basa, últimamente, en su poder de disolución. En este caso debe partirse de que en la físico química no existe el concepto «insoluble»; se distingue sólo entre sustancias fácilmente solubles y poco solubles, y quizás, exagerando, muy difícilmente solubles. Cuando un cuerpo se disuelve en el agua en la relación de una parte de sólido en un millón de partes de agua, y cuando este comportamiento, tras una breve observación, pueda despertar la idea de la insolubilidad, ha de tenerse en cuenta que con el tiempo y con la aportación continuamente renovada de agua pueden eliminarse cantidades disueltas medibles o perceptibles.

La capacidad de disolución del agua se intensifica por adiciones que le dan casi siempre el carácter de un ácido. Tales adiciones se hallan en el aire en forma de CO2 (llamado anhídrido carbónico o ácido carbónico) o como óxidos de nitrógeno, que proceden del nitrógeno y del oxígeno del aire por efecto de las tormentas. También en las aguas freáticas, que alcanzan por lo menos los cimientos de nuestras obras, se encuentran sustancias que elevan la agresividad del agua.

La intensidad de los diversos ataques sobre el mortero o el concreto, generalmente introducidos a ellos por las aguas, se representa en la tabla de BONZEL que se adjunta. Ver tabla Nº 38.

TABLA Nº 38: TABLA DE BONZEL. ATAQUE AL MORTERO O AL CONCRETO POR SUSTANCIAS EN EL AGUA.

DEBIL FUERTE MUY FUERTE

Valor del pH 6,5 – 5,5 5,5 – 4,5 4,5

CO2 agresivo para la cal (mg/litro) 15 - 30 30 - 60 60

NH4+ (mg/litro) 15 - 30 30 - 60 60

Mg++ (mg/litro) 100 - 300 300 – 1.500 1.500

SO4-- (mg/litro) 200 - 600 600 – 2.400 2.400

La norma técnica Colombiana NTC 3459 “Agua para la elaboración de concreto”, se puede hacer extensiva a los morteros. Esta norma determina el método para establecer por medio de ensayos, sí el agua no servida por acueducto es apropiada para elaborar mezclas de concreto. Se pretenden compendiar los requerimientos de calidad química necesarios a las aguas que se vayan a emplear en la fabricación de morteros y concretos, tanto para preparar la mezcla como para realizar el curado.

Estas exigencias de calidad, varían en algunos países en función de las características propias del cemento, pero en general existe una uniformidad de criterios fruto de los resultados de investigaciones exhaustivas desarrolladas en U.S.A., España, Inglaterra, etc. En nuestro país en general, fuera de los perímetros urbanos, se corre el riesgo de utilizar aguas desconocidas - no estudiadas - para

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elaborar morteros y concretos y ello puede ser causa de defectos en la calidad de la obra a corto, mediano y largo plazo, dependiendo de las sustancias que contengan.

La cantidad del agua en las mezclas de concreto o mortero, juega un papel preponderante puesto que define la relación a/c, la trabajabilidad o manejabilidad y por ende la resistencia mecánica de la mezcla.

La calidad química del agua tiene importancia tanto en la preparación de la mezcla como en el curado de ella. En la preparación de las mezclas, es frecuente requerir aguas provenientes de abastecimientos desconocidos o no estudiados, especialmente para las obras que se encuentran fuera de los centros urbanos. Es necesario reconocer los riesgos que se corren, al utilizar aguas desconocidas que puedan aportar, substancias nocivas disueltas o en suspensión. Estas podrían ser:

• Las impurezas orgánicas. Las sustancias orgánicas contenidas en aguas naturales afectan considerablemente el tiempo de fraguado inicial del cemento y la resistencia última del concreto. Las aguas que tengan un color oscuro, un olor pronunciado o aquéllas donde sean visibles lamas de algas en formación de color verde o café, deben ser miradas con desconfianza y ensayarse de acuerdo con esta norma. Debe tenerse cuidado con los altos contenidos de azúcar en el agua por que pueden ocasionar retardo en el fraguado. A todas estas sustancias se les denominan hidratos de carbono y no deben estar presentes en las aguas para preparar mezclas de concreto o mortero.

• Impurezas inorgánicas. Los limites permisibles para contenidos inorgánicos son muy amplios, pero en algunas partes del mundo éstos pueden presentarse en cantidades suficientes para causar un deterioro gradual del concreto. La información disponible respecto al efecto de los sólidos disueltos sobre la resistencia y durabilidad del concreto es insuficiente para establecer unos límites numéricos pero se puede proporcionar una guía para niveles permisibles de ciertas impurezas. Los iones que se presentan con mayor frecuencia en aguas naturales son calcio, magnesio, sodio, potasio, bicarbonato, sulfato, cloruro, nitrato y. menos frecuente carbonato. Las aguas con un contenido total combinado de estos iones comunes hasta 2000 mg/l son generalmente adecuadas como agua de mezcla. Los valores recomendados por la norma colombiana son:

IMPUREZAS INORGÁNICAS VALORES ACEPTABLES

Cloruros ≤ 500 mg/l

Sulfatos (SO3) ≤ 1000 mg/l

Carbonatos y bicarbonates alcalinos ≤ 1000 mg/l

• PH. Esta medida indica el grado de acidez del agua. Una sustancia es tanto más ácida cuanto menor sea el valor del pH. Su medida corresponde al logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno. Un pH = 7 es el

A. Salazar 102


punto neutro, y significa por lo tanto una concentración de iones de hidrógeno de:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛= litrog0000001.0

101

7

Para dar una idea del orden de magnitud debe quedar claro que se trata de potencias de 10, es decir, que por ejemplo, un pH = 4 es 100 veces más ácido que el pH = 6.

La mayoría de las aguas naturales o tratadas, pueden emplearse satisfactoriamente para preparar mezclas, siempre y cuando no produzcan olores ó colores fuertes. Hay una creencia popular, en el sentido de afirmar que si el agua es apta para beber, será óptima para preparar mezclas. Esto no es del todo cierto pues algunos acueductos ó plantas de tratamiento de aguas, utilizan ó adicionan para tal efecto substancias como: el sulfato de aluminio, el cloro, sabores artificiales, flúor, azúcares, etc., que la transforman en adecuada para consumo humano pero no necesariamente para elaborar mezclas de morteros. Así mismo, un agua apta para mezclar ó curar concretos puede no necesariamente ser apta para consumo humano.

En general las especificaciones en este sentido plantean la necesidad de que el agua se encuentre limpia y libre de substancias perjudiciales. En algunos casos se establece que si el agua a emplearse proviene de una fuente desconocida, deben realizarse pruebas con el agua en cuestión y con un agua conocida y efectuar comparaciones de su comportamiento en cuanto a: tiempo de fraguado, desarrollo de resistencia, aire atrapado, etc. Se considera que el agua es aceptable, si la relación entre la resistencia del mortero preparado con el agua “problema" y la resistencia del mortero preparados con agua conocida ó destilada, es mayor del 90 %. En caso de que el valor se encuentre entre el 80% y el 90%, se recomienda modificar la dosificación de la mezcla. Por debajo de ello se debe rechazar.

Resulta mucho más perjudicial emplear aguas no adecuadas para el curado que en el amasado. Por ejemplo, el agua de mar se ha empleado para preparar mezclas de concreto simple o morteros, aún a costa de una moderada pérdida de resistencia mecánica y a su tendencia a causar humedad superficial y eflorescencia. Sin embargo, no debe emplearse en el curado.

Cuando el agua proviene de un pozo, es conveniente analizarla periódica y sistemáticamente para comprobar que no varían el contenido de su pH ó impurezas a través del tiempo.

5.2 EFECTO DE LAS IMPUREZAS EN EL AGUA DE MEZCLADO

Las impurezas del agua pueden interferir con el fraguado del cemento, afectar adversamente la resistencia del mortero ó causar manchas en su superficie y provocar, además, la corrosión de los aceros de refuerzo.

A. Salazar 103


Es necesario distinguir entre los efectos del agua de mezclado y el ataque a la mezcla endurecida por parte de aguas agresivas. Basándose en un mínimo de resistencias del 85% respecto a las obtenidas con agua pura, se estableció lo siguiente:

• No se aceptan como aguas para elaborar concretos, aguas ácidas - ácido húmico, aguas básicas provenientes de curtiembres, aguas carbonatadas provenientes de descargas de plantas de galvanización, aguas que contengan más del 3% de ClNa ó 3.5% de SO3Na2, aguas conteniendo azúcares. El contenido de sólidos disueltos totales no debe ser mayor de 2.140 ppm, para las aguas carbonatadas.

• Se aceptan las siguientes aguas para elaborar concreto, sobre la base de alcanzar más del 85% de las resistencias respecto a un agua destilada ó conocida: aguas con un contenido máximo de 1% de Sulfatos, agua de mar pero no para concretos reforzados, aguas alcalinas con un contenido máximo del 0.15% de Na2SO4 ó NaCl, aguas provenientes de minas de carbón y yeso, agua residual de fábricas de: Cerveza, plantas de gas, pinturas y jabón.

En la tabla Nº 39, se presentan unos límites máximos para las impurezas que puede contener un agua de mezcla.

TABLA Nº 39: CONCENTRACIONES TOLERABLES DE IMPUREZAS EN AGUAS DE MEZCLADO.

IMPUREZAS CONCENTRACIÓN MÁXIMA

Carbonatos y bicarbonatos de Sodio y Potasio 1.000 ppm.

Cloruro de Sodio 20.000 ppm.

Sulfato de Sodio 10.000 ppm.

Bicarbonato de Calcio y Magnesio 400 ppm de ion bicarbonato.

Cloruro de Calcio 2% en peso de Cemento

Sales de hierro 40.000 ppm.

Yodatos, fosfatos, arsenatos y boratos de Sodio 500 ppm.

Sulfito de Sodio 100 ppm.

Acido Sulfúrico y Clorhídrico 10.000 ppm.

Hidróxido de Sodio 0.5% por peso de cemento, si no se afecta el fraguado.

Sales y partículas en suspensión 2.000 ppm.

El uso de agua de mar puede causar eflorescencias y descascaramientos en la superficie del concreto, pero en general ha sido utilizada en concretos masivos con resultados aceptables en resistencias, dentro del límite del 85% anotado anteriormente. El mayor problema ha ocurrido cuando el agua contiene algas u otras impurezas orgánicas. En general toda agua que contenga estas partículas

A. Salazar 104


orgánicas, tiende a generar un gran atrape de aire en el concreto y con ello una gran pérdida de las resistencias mecánicas. Se han encontrado concretos hasta con un 10% de aire atrapado cuya caída de resistencia es del 50%.

Las especificaciones españolas plantean, en las “instrucciones vigentes, para el proyecto y la ejecución de obras de concreto en masa y armado", que en caso de no poseer antecedentes de uso de un agua o en caso de duda, estas deberán analizarse. Ver tabla Nº 40.

TABLA Nº 40: ESPECIFICACIONES ESPAÑOLAS QUE DEFINE LOS LÍMITES DE SUSTANCIAS PERMITIDAS EN EL AGUA DE AMASADO.

DETERMINACIÓN LIMITACIÓN RIESGOS QUE SE CORREN

pH ≥ 5 Alteraciones en el fraguado y endurecimiento Disminución de resistencia y durabilidad

Sustancias disueltas totales ≤ 15 g/I

Aparición de manchas Pérdida de resistencia mecánica Fenómeno expansivo a largo plazo

Sulfatos como SO4

≤ 1 g/l

Alteración en el fraguado y en el endurecimiento. Pérdida de resistencia

Puede resultar gravemente afectada la durabilidad del concreto

Sustancias Orgánicas. Solubles en éter

< 15 g/l Graves alteraciones en el fraguado y/o

endurecimiento Fuerte caída de resistencia

Ion Cloro ≤ 6 g/l Corrosión del acero u otros elementos

metálicos Otras alteraciones del concreto

Hidratos de Carbono

No deben contener

El concreto no fragua Otras alteraciones en el fraguado y

endurecimiento

5.3 LAS AGUAS DE CURADO.

Se deben hacer dos consideraciones para evaluar las impurezas que con tienen las aguas de curado:

• La capacidad de manchar las superficies

• La capacidad de atacar y causar deterioro

La causa más común de las manchas en las superficies es la presencia de una alta concentración relativa de hierro ó de materia orgánica en el agua de curado. Bajas concentraciones de estas impurezas pueden causar manchas si la mezcla se

A. Salazar 105


somete a una prolongada humidificación por chorreo del agua en el curado de otras porciones de la estructura. No existe ningún método práctico y confiable que relacione las posibilidades de manchas con el contenido de impurezas orgánicas ó de hierro en el agua.

5.3 DETERMINACION CUALITATIVA DE LA PRESENCIA DE ALGUNAS SUSTANCIAS PERJUDICIALES.

• ¿Cómo determinar el P.H. del agua?

Se utiliza un papel indicador. Este se humedece en ella y luego se compara el color obtenido en el papel con el color de la tabla de referencia.

• ¿Cómo detectar la presencia de Sulfatos?

Se hierve el agua, se le añade una solución de Cloruro de Bario. Así se puede formar un precipitado blanco de Sulfato de Bario. Si la precipitación es importante, el agua debe analizarse cuantitativamente.

• ¿Cómo detectar la presencia de Cloruros?

Se añade una solución de Nitrato de Plata a la muestra de agua y se analiza si se forma un precipitado blanco. Toda agua no destilada, contiene cloruros, pero si la precipitación es importante, debe analizarse cuantitativamente.

En general, a toda agua deben realizársele pruebas cualitativas rápidas, antes de decidir su uso.

2.4 LOS ADITIVOS

Son todos los materiales distintos al cemento portland, agua y agregados, que se adicionan al concreto y morteros antes o durante el mezclado a fin de conferirles propiedades particulares.

Se pueden clasificar ampliamente as:

• Aditivos aireantes

• Aditivos reductores de agua

• Aditivos retardadores de fraguado

• Aditivos aceleradores de fraguado

• Agentes para la trabajabilidad

• Misceláneos: impermeabilizadores, agentes reductores de la permeabilidad, morteros de inyección y/o sellado, agentes formadores de gas, etc.

A. Salazar 106


En general, con contadas excepciones, se pueden conseguir concretos que cumplan a cabalidad con unas propiedades definidas mediante un calculo apropiado de mezclas y la selección conveniente de agregados y cementos, sin acudir al empleo de los aditivos.

Sin embargo, es posible que haya casos en los que se requieran ciertas propiedades especiales, tales como tiempos de fraguados lentos, aceleración de las resistencias tempranas, reducción de calores de hidratación. Para estos casos se aconseja considerar e investigar ciertos aditivos, pues con ellos es factible conseguir los efectos especiales deseados. En algunos casos se requieren propiedades que sólo se consiguen con la ayuda de aditivos.

A. Salazar 107


CAPITULO 3: EL CONCRETO FRESCO

3.1 CRITERIO FUNDAMENTAL

En un buen porcentaje, la resistencia de un concreto es función del grado de compactación, por lo tanto es necesario que toda mezcla de concreto posea una consistencia o trabajabilidad que permita su transporte, colocación y terminado con el menor esfuerzo posible y sin propiciar la segregación de los constituyentes que contiene.

3.1.1 ¿QUÉ ES TRABAJABILIDAD?

La facilidad de colocar, consolidar y terminar el concreto es llamada trabajabilidad. En una situación dada el concreto debe ser trabajable pero no debe segregar ni sangrar en exceso.

Se denomina sangrado al movimiento del agua hacia la superficie del concreto vertido recientemente.

Como la trabajabilidad no es una propiedad bien, definida, comprende los siguientes aspectos:

• Compactabilidad: es la facilidad con la que un concreto es compactado y las burbujas de aire son eliminadas.

• Movilidad: es la fluidez en el encofrado y alrededor de los refuerzos de acero.

• Estabilidad: es la aptitud de mantenerse como una masa estable y homogénea sin segregación.

• Terminado: es la facilidad para un buen terminado o acabado.

Un concreto de consistencia plástica no se desmorona, pero fluye lentamente sin segregación. Las mezclas de este tipo de consistencia son aptas para la mayoría de los trabajos con concreto.

Como se había planteado anteriormente, la trabajabilidad beneficia la resistencia del concreto endurecido en cuanto a producir un concreto lo más denso posible. El profesor Neville ( )25 plantea: "la necesidad de efectuar una buena compactación de un concreto es manifiesta cuando se estudia la relación entre el grado de compactación y la resistencia resultante". Si se expresa el grado de compactación como una relación del peso especifico del concreto dado y el peso especifico de la misma mezcla totalmente compactada y además, se establece la relación de resistencias obtenidas con los concretos mencionados para expresar el grado de

25 Neville, A.M., “Properties of Concrete“ 4° edition, John Wiley & Sons, Inc., 3ª impression 1997

A. Salazar 108


compactación, se puede establecer una correlación que tiene la forma que se muestra en la figura Nº 20.

FIGURA Nº 20: GRADO DE COMPACTACIÓN

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Relación de pesos específicos

Rel

ació

n de

resi

sten

cias

aco

mpe

sión

Se puede observar que la presencia de vacíos en el concreto reducen mucho su resistencia: un 5% puede causar caídas mayores al 30% e incluso un 2% genera caídas hasta de un 10%.

Feret en 1896 había formulado que la resistencia del concreto era función de los volúmenes absolutos de cemento, agua y aire que contiene. Matemáticamente esto se expresa así:

2

'⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

++=

VaireVaguaVcVcKf c

Algunos factores que afectan la trabajabilidad de un concreto son

• La cantidad y características del cemento

• La gradación y forma de la arena

• La gradación y forma del agregado grueso

• La proporción entre el agregado fino y el agregado grueso.

• El porcentaje de aire atrapado

A. Salazar 109


• El tipo y la calidad de la adición incorporada

• La cantidad de agua

• La cantidad y característica de los aditivos

El mayor efecto sobre la trabajabilidad de una mezcla de concreto le corresponde a la cantidad de agua incorporada a esta. En general y para efectos prácticos, es válido suponer que para todo concreto compuesto por unos agregados de características y granulometrías conocidas, la cantidad de agua requerida para preparar una mezcla de trabajabilidad o manejabilidad definida, será una constante. Esto significa que la cantidad de agua para producir una mezcla con una manejabilidad dada, es independiente de la relación agregado/cemento. (Ag/c)

Por ejemplo en Cali al utilizar un agregado diabásico triturado de 38.1 mm y arena del río Cauca, los concretos preparados buscando un asentamiento de + 75 mm. (3"), requerirán del orden de 190 lt. de agua por m3 de concreto. Ver la Tabla Nº 41.

TABLA 41: CONTENIDOS DE AGUA PARA UNOS ASENTAMIENTOS DADOS, CON MATERIALES DE LA REGION DE CALI. (*)

Tamaño Máximo Asentamiento

25 a 50mm 75 a 100mm 125 a 150mm

Canto Rodado

Triturado Canto Rodado

Triturado Canto Rodado

Triturado

mm

"

lt/m3 lt/m3 lt/m3 lt/m3 lt/m3 lt/m3

9.5 ⅜ 195 210 205 225 225 235

19 ¾ 180 195 190 210 210 220

25.4 1 170 185 180 195 200 210

38.1 1½ 160 170 170 190 190 200

50.8 2 150 165 165 180 180 190

(*) Concreto sin aire ocluido.

Con base en lo anterio, se pueden sacar algunas conclusiones practicas para el proprcionamiento de mezclas en obra.

Si el contenido de agua es fijo y las demás propiedades de la mezcla también, la trabajabilidad dependerá:

• Del tamaño máximo del agregado. • De la granulometría del conjunto de agregados • De la forma y textura de los mismos.

En resumen, la trabajabilidad podría definirse en función de las proporciones de la mezcla, siempre y cuando se considere que ésta depende:

a.- de la relación agua/cemento: a/c

A. Salazar 110


b.- de la relación agregados/cemento: Ag/c c.- de la cantidad de agua: a

Como se observa, de las tres variables dos son independientes. Con base en elllo es posible plantear algunas observaciones:

• Si la relación Ag/c se reduce y la relación a/c permanece constante, entonces la cantidad de agua (a) crece y la trabajabilidad de la mezcla aumenta.

• Si el contenido de agua (a) permanece constante y la relación Ag/c se reduce, la relación a/c se reduce, pero la trabajabilidad no se afecta seriamente. Cuando ocurre lo anterior, se está incrementando la superficie especifica de los sólidos presentes - agregados y cemento - y por ello al permanecer constante el agua se obtendrá una trabajabilidad ligeramente menor que se puede compensar, cambiando las proporciones de agregados de tal manera que se conserve la superficie específica original, esto es utilizando un poco más de agregados gruesos.

Es importante anotar que utilizando la tecnología actual del concreto es posible conseguir mezclas con cualquier trabajabilidad. Además se esta en la capacidad de producir con esta mezcla cualquier propiedad de endurecimiento requerida por la estructura. Tales tecnologías permiten el uso de productos especiales presentados en forma de adiciones y aditivos, ambos de carácter mineral y químico.

Otros aspectos relativos a la trabajabilidad son: ( )26

• Para una relación a/c dada, sí la granulometría de los agregados del concreto es fina, se requerirá una mayor cantidad de pasta para conseguir una trabajabilidad definida.

• Para una consistencia determinada, hay una relación agregado grueso/agregado fino, para la cual el agua necesaria es mínima.

• Para una relación a/c definida, hay una relación agregada grueso/agregado fino que nos da la mayor trabajabilidad.

• El concreto dosificado con arena fina necesita más agua para conseguir una misma consistencia que la de otro concreto dosificado con una cantidad equivalente de arena gruesa.

• En general, se debe adicionar un 2% a 3% más de arena de la calculada, en los concretos que se dosifican por el método del volumen absoluto de los agregados totales.

26 Salazar A., “Los Agregados para Concreto", AIV, Santiago de Cali, 1989.

A. Salazar 111


• Cuando los agregados gruesos poseen partículas planas y largas, se debe incrementar la cantidad de arena, cemento y agua.

• La trabajabilidad se puede controlar con las proporciones de los materiales que integran al concreto. Cuando la proporción del mortero se incrementa, incluyendo arena, cemento, agua y aire, la granulometría y la forma (angularidad) de los agregados gruesos pierde importancia. Se puede asegurar que la influencia de las propiedades de los agregados sobre la trabajabilidad de un concreto se reduce, cuando se hace una mezcla más rica en cemento y prácticamente desaparecen cuando la relación de Ag/c baja de 2.5.

• Debe haber suficiente mortero para llenar los espacios vacíos entre los agregados gruesos más un exceso que permita al concreto colocarse correctamente en las formaletas y alrededor de los refuerzos.

• Un concreto trabajable debe permanecer siempre uniforme, no segregarse. Los excesos de morteros incrementan la trabajabilidad, pero una trabajabilidad excesiva es síntoma de ineficiencia. Debe estar en concordancia con la energía utilizada para la consolidación.

• La cantidad de mortero necesario para producir una trabajabilidad deseada con un agregado grueso dado, se determina más eficientemente por ensayos de laboratorio.

• El aire incorporado incrementa el volumen de la pasta, actúa como un lubricante, y mejora la trabajabilidad del concreto. Reduce el sangrado y la segregación durante el manejo y colocación e incrementa la cohesividad o untuosidad del concreto. La mejora de la trabajabilidad resultante de la incorporación de aire es más pronunciada en las mezclas pobres que son asperas y difíciles de manejar por causa de una mala gradación de los agregados o por el tipo de agregados utilizados.

• La adición de un material finamente dividido, incluyendo materiales inertes o activos como las puzolanas, generalmente mejora la trabajabilidad del concreto. La mejora es mayor en las mezclas pobres en cemento que en las ricas en éste. Estos materiales también se emplean para mejorar la gradación de arenas deficientes en finos. En algunos lugares se ha conseguido que las adiciones activas sustituyan volumétricamente al cemento en proporciones del 10 y al 70%. La trabajabilidad se mejorará si estos materiales son adicionados como remplazo parcial de la arena en lugar de sustituir unicamente al cemento.

• Los aditivos reductores de agua, cuando se incorporan al concreto, permiten la reducción del agua de la mezcla sin perder el asentamiento. Sí se conserva constante el contenido de agua, se consigue un incremento del asentamiento. Los aditivos retardadores de fraguado reducen la velocidad temprana de endurecimiento y permiten que el concreto fresco sea manejado y vibrado por largos períodos de tiempo.

A. Salazar 112


3.1.2 MEDICIÓN DE LA TRABAJABILIDAD ( )27

No hay ninguna prueba que pueda medir la trabajabilidad tal como ha sido definida. La prueba más extendida es el ensayo de asentamiento con el cono de Abrams. Esta prueba no es apropiada para concretos muy secos o muy húmedos. Como no es una medida directa de esta propiedad, 2 mezclas de concreto de igual asentamiento no necesariamente son de igual trabajabilidad. Se emplea como un ensayo de control y entrega una indicación sobre la uniformidad del concreto entre cada tanda de mezcla. Se podría establecer que en condiciones de utilizar similar dosificación y tipo de materiales, a mayor asentamiento corresponderá un mayor contenido de humedad en los agregados. Si las condiciones de humedad se consideran iguales los cambios de asentamiento se deben relacionar con variaciones en la granulometría de los agregados. Una falta de finos reflejará un menor asentamiento del esperado.

Una información adicional sobre la trabajabilidad del concreto se puede conseguir, si después de medir el asentamiento, el cono de concreto es golpado lateralmente en forma suave con la varilla de compactación. Dos pruebas de igual resultado de asentamiento pueden ofrecer concretes diferentes, así una puede desplomarse después del golpe suave y mostrarse áspera con un mínimo de finos y la otra puede presentar un concreto muy cohesionado con exceso de trabajabilidad al no disgregarse con los golpes. El primer caso puede corresponder a un concreto para pavimentos ó concreto en masa, el otro concreto se puede emplear en condiciones de mayores dificultades para su colocación.

El ensayo de asentamiento es recomendado por la norma NTC 396 y tiene como objeto determinar el asentamiento (slump) del concreto en obra o en laboratorio. No es aplicable para concretos magros (no plásticos) ni para concreto con agregado cuyo tamaño máximo sea mayor a 50 mm. Como recomendaciones especiales, por las fallas que se aprecian en la práctica, se pueden citar:

• La varilla compactadora debe ser de un diámetro de 16 mm, con el extremo compactador en forma de semiesfera y un radio de 8 mm.

• El cono se llena en tres capas iguales que ocupan 1/3 del volumen del molde aproximadamente y se compactará cada una con 25 golpes de la varilla distribuidos uniformemente sobre su sección transversal,

Popovics, en el Magazine of Concrete Research en julio 1962 publicó un articulo de investigación titulado " Relations Between the Change of Water Content and the consistence of Fresh Concrete", en el cual presentó datos que indican que los valores de la consistencia, medida por el método del asentamiento del cono de Abrams, y el contenido de agua del concreto correlacionan a través de una curva parabólica. Demuestra, que un cambio promedio en el contenido de agua de un 3%

27 Scanlon, J. M., "Factors Influencing Concrete Workability” Chapter 8, pag 49 – 64, "Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials", ASTM, STP-169C, 1994.

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generalmente refleja un cambio del asentamiento en 1 pulgada. Para ajustar un batch, el asentamiento podrá incrementarse en cerca de 10 mm. añadiendo 2 kg/m3 de agua a la mezcla de concreto.( )28

Cuando la temperatura del concreto se incrementa el asentamiento decrece. Si un concreto se coloca a 21 ºC con un asentamiento de 10 cm (4"), sólo tendrá 7.6 cm (3") sí la temperatura del concreto sube a 32 ºC. El mismo concreto tendrá un asentamiento de 5.5" (14 cm) cuando tenga 10 ºC. También el incremento de la temperatura ambiente tiene un efecto desfavorable sobre el asentamiento del concreto aunque es más significativo el efecto de la temperatura del concreto.

El uso de los aditivos incorporadores de aire como de los plastificantes o super-plastificantes reductores de agua, incrementarán el asentamiento del concreto si todas sus otras características permanecen iguales. El incremento o decrecimiento de un 1% de aire en la masa del concreto, tiene el mismo efecto que alterar el contenido de agua de éste en un 3%.

Otro factor que afecta la trabajabilidad del concreto y por ende su asentamiento, es el tiempo que transcurre entre el fin del mezclado y su colocación. En general, entre más tiempo transcurra en la colocación del concreto se dará oportunidad a una mayor evaporación del agua, más aún si el concreto se encuentra en un día soleado y a la intemperie, como ocurre en muchas obras en nuestro país, se beneficiará la absorción de agua por parte de los agregados no saturados, situación común en las épocas de verano y habrá agua que estará reaccionando con el cemento. Todo lo anterior dará como consecuencia una pérdida de asentamiento. Es costumbre adicionar agua a las mezclas de concreto pseudo entumecidas, a fin de restituir el asentamiento o la trabajabilidad original especificada, la práctica anterior será válida si solo se sustituye el agua evaporada pues no habrá efecto sobre la resistencia del concreto, en caso contrario la resistencia se verá notablemente disminuidas por el incremento real de la relación a/c. Una gráfica que muestra el efecto del agua de retemplado en la resistencia del concreto se observa en la Figura Nº 21 ( )29 .

28 Kosmatka, S:H:, et al, "Design and Control of Concrete Mixtures", 5º Canadian Metric Edition, CPCA, 1991

29 Neville, A.M., "Tecnología del Concreto", Tomo I, IMCYC, pp 252, México 1977

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FIGURA Nº 21: EFECTO DEL AGUA DE RETEMPLADO EN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO

0.0

15.0

30.0

45.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0

Agua de Retemplado (kg/m3)

% d

e Pé

rdid

a de

Res

iste

ncia

En varios países o lugares se han desarrollado métodos prácticos para medir la trabajabilidad del concreto, pero aún no se ha encontrado el ideal. De todos los existentes hay uno que mide el grado de compactación que alcanza el concreto cuando se aplica una cantidad fija de trabajo. Se denomina el factor de compactación y se mide mediante la relación del peso del concreto compactado parcialmente al peso del concreto compactado totalmente. Esta prueba fue desarrollada en Inglaterra en el Road Research Laboratory y genéricamente el aparato consta de 2 tolvas en forma de cono truncado con unas compuertas en el fondo de cada una y un cilindro en la base de 6 x 12". Ver Figura Nº 22.

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FIGURA Nº 22: EQUIPO PARA MEDIR EL FACTOR DE COMPACTACIÓN

Funciona de la siguiente manera: la tolva superior se llena con el concreto a ensayar sin ejercer sobre él ningún esfuerzo de compactación. Se abre la compuerta del fondo y el concreto cae por gravedad en la tolva inferior que es más pequeña. La compuerta de la segunda puerta se abre y el concreto cae al cilindro que luego se enrasa y pesa. La relación entre el peso del concreto colocado en caída libre en el cilindro y la del mismo concreto totalmente compactado en el cilindro es el factor de compactación.

Este ensayo se considera aceptable para concretes de consistencia media, pero es menor que otros ensayos para concretes muy secos. Un factor de compactación de 0.75 corresponde a un asentamiento entre 0 y 25.4 mm., 0.85 corresponde a un asentamiento entre 25.4 y 50.8 mm. y 0.90 corresponde aun valor de asentamiento entre 75 y 100 mm. En la Tabla Nº 42 se plantean genéricamente las trabajabilidades para diferentes propósitos.

TABLA Nº 42: TRABAJABILIDAD PARA DIFERENTES PROPÓSITOS.

PROPÓSITO Factor de Compactación

Asentamiento mm.

Concreto de resistencia muy alta para secciones pretensadas de concreto

0.70 - 0.78 0

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compactadas mediante fuertes vibraciones.

Secciones de concreto de alta resistencia, pavimentos y masas de concreto compactadas por vibraciones.

0.78 - 0.85 0 - 25

Sección de concreto reforzadas y compactadas por vibraciones. Masa de concreto compactada manualmente.

0.85 - 092 25 - 50

Secciones de concreto muy reforzadas y compactadas por vibraciones. Concreto compactado manualmente en losas, vigas maestras, columnas y paredes reforzadas normalmente

0.92 - 095 50 - 100

Secciones de concreto muy reformadas compactadas sin vibraciones y trabajos donde la compactación es particularmente difícil.

sobre 0. 95 100 - 150

Existen otros métodos que intentan medir la trabajabilidad de una mezcla de concreto, tales como: la mesa de flujo, el ensayo de remoldeo, la prueba de la esfera de Kelly, el consistómetro de Vebe, etc., pero la mayoría de ellos requieren de equipos más complejos que el Cono de Abrams y en general no están tan difundidos como los descritos anteriormente. Sin embargo, vale la pena anotar que el consistómetro Vebe es el equipo indicado para realizar el óptimo control de las mezclas secas requeridas para preparar elementos prefabricados como tuberías, bloques y adoquines de concreto. Podría asegurarse que sin este equipo no hay posibilidad de reproducir adecuadamente las mezclas preparadas para elaborar elementos prefabricados y con ello estabilizar una calidad y un óptimo costo de producción.

3.1.3 SEGREGACIÓN

La segregación es la separación de los agregados gruesos del mortero. Como el concreto no esta constituido por materiales homogéneos y es una mezcla de materiales de diferentes densidades y tamaños, incluyendo el aire atrapado o incluido, siempre habrá una tendencia a la sedimentación de los materiales más densos y de mayor tamaño. Muchas de las imperfecciones que se encuentran en la masa del concreto, tales como hormigueros, son debidos a esta segregación. Las mezclas propensas a segregarse son las poco dóciles o ásperas, las extremadamente fluidas o secar o aquellas otras que contienen gran cantidad de arena. No obstante, se puede producir segregación en un concreto que a pesar de ser muy dócil, haya sido maltratado o sometido a operaciones inadecuadas. Una mezcla segregada no se deja compactor completamente. Las causas principales son:

• Una diferencia de tamaños marcada entre las partículas de agregados de la mezcla.

• Diferentes densidades de las partículas de los agregados grueso y fino. Se puede controlar efectuando una mezcla de agregados de granulometría

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adecuada, buscando que las densidades de los agregados sean similares y realizando un buen manejo de la mezcla. La magnitud real de este fenómeno dependerá del método de colocación y de manejo del concreto.

Se piensa genéricamente que en las operaciones de colocación y consolidación se elimina la segregación, pero esto es un sofisma pues esta es irreversible en dichas etapas del proceso constructivo.

Vale la pena anotar que el concreto debe colocarse directamente en su posición definitiva, sin moverlo o dejarlo fluir a lo largo del encofrado. En superficies inclinadas, el concreto debe colocarse primero en la porción baja de la pendiente, continuando hacia arriba a así aumentar la natural consolidación del concreto. Debe evitarse la descarga a alta velocidad, que origina la segregación del concreto. ( )30 Ver figuras 23, 24, 25.

3.1.4 SANGRADO

Se puede considerar como una forma de segregación en donde el agua de la mezcla fluye hacia la superficie del concreto recién colocado. El fenómeno que se presenta es una sedimentación de los agregados en la pasta. Las leyes que gobiernan este fenómeno son esencialmente las que establecen que dentro de un sistema capilar, los líquidos fluyen menos que lo expresado por la Ley de Stokes en referencia a las velocidades de sedimentación en una suspensión diluida. El sangrado está influenciado por la plasticidad de la mezcla de concreto y se incrementa por las vibraciones. Se reduce con la adición de plastificantes o incorporadores de aire. También depende de la calidad del cemento, disminuyendo al incrementarse la finura del cemento o el contenido de AC3 o de álcalis. También logra reducirse si se adicionan puzolanas o polvo de aluminio.

Los concretes que presentan fuerte sangrado, poseen superficies débiles, porosas que se desgastan rápidamente. De igual manera, una capa de concreto con sangrado en una superficie le resta adherencia a la siguiente capa. En general, debe eliminarse por cepillado y lavado la capa de nata que queda en la superficie del concreto.

30 ACI Comité 304 "Práctica recomendable para la medición, mezclado, transporte y colocación del

Concreto", IMCYC 3 -1977.

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FIGURA Nº 23: MÉTODOS CORRECTOS E INCORRECTOS DE COLOCAR EL CONCRETO

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FIGURA Nº 24: MÉTODOS CORRECTOS E INCORRECTOS DE COLOCAR EL CONCRETO

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FIGURA Nº 25: MÉTODOS CORRECTOS DE CONSOLIDACIÓN

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3.1.5 MEZCLADO DEL CONCRETO

Un concreto es homogéneo cuando su composición es idéntica en todos sus puntos. Así, el principio, la parte media y el final de la mezcla respetarán esta definición y las mezclas sucesivas podrán considerarse idénticas. El objeto del mezclado entonces, es lograr esa homogeneidad de los materiales, tal que todos ellos se encuentren uniformemente distribuidos. Para conseguir este objetivo, generalmente se emplean mezcladoras que deben cumplir con requisitos definidos de: velocidad, fácil descarga que no altere la uniformidad de la mezcla y una capacidad de producción en un tiempo óptimo de mezclado.

Como en nuestro medio aun es muy común amasar manualmente el concreto, vale la pena hacer algunos comentarios a este procedimiento. Con él, se generan mezclas muy heterogéneas no aptas para obras que exijan concretos de altas resistencias. Debe realizarse sobre una superficie limpia no absorbente y en ningún caso sobre una superficie de suelo o tierra. La mezcla se prepara en seco en el siguiente orden: se mezclan los agregados entre si y luego esta mezcla con el cemento. La mezcla seca de los materiales debe alcanzar un color uniforme al final. Luego se adiciona el agua poco a poco, para permitir la absorción y finalmente se mezcla vigorosamente con la pala hasta obtener una masa homogénea en su apariencia. No es un método recomendado para conseguir concretos de buena calidad y altas resistencias.

El mezclado en máquina generará un concreto más económico y uniforme que el conseguido manualmente. Los equipos para esta operación pueden ser continuos o por tandas, estos últimos son los más utilizados. Para evaluar la calidad de una mezcla producida en una mezcladora cualquiera, se puede ensayar y comparar a través de lavados sobre dos tamices, la distribución uniforme de los componentes en distintos puntos de la mezcladora.

Los mezcladores pueden clasificarse en:

• De caída libre (acción de la gravedad), eje inclinado o tambor basculante. Adecuadas para mezclar hasta 0.5 m3 de concreto. La inclinación del tambor no debe ser mayor de 20º sobre la horizontal. A partir de este ángulo, la dispersión de los pesos específicos entre muestras obtenidas de la misma cochada, crece apreciablemente. Deben mantenerse las paletas internas con el mínimo desgaste y cuando este haya sido de más del 20% de la altura, deberá repararse a la altura original. El trabajo con agregados de origen silícico incrementa notablemente este desgaste frente al generado por los agregados calcáreos. Para facilitar el amasado, se debe introducir el agregado grueso en último lugar. Sí se introduce de primero, la mezcla se hará mal y el concreto corre el riesgo de ser muy heterogéneo. Deben girar entre 20 a 30 rpm. La duración del amasado estará entre 1 y 3 minutos.

• De caída libre (acción de la gravedad), tambor fijo de eje horizontal y vaciado invertido. Son las apropiadas para mezclar cantidades superiores al 0.5 m3 por tanda. A diferencia de la mezclador basculante, su grado de llenado es menor

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por el hecho de la posición de giro. La calidad el concreto que se obtiene es de mejor calidad que el obtenido en la mezcladora basculante, sin embargo, cuanto mayor es la duración de la mezcla, más rica en grava y pobre en arena será la parte final del amasado. Deben girar alrededor de 25 rpm. La duración del amasado estará entre 1 y 3 minutos.

• Amasadoras de bandeja y tren de paletas con eje verticales. Útil Para mezclas duras y cohesivas, es recomendada para concretos prefabricados. Se le denomina mezcladora forzada. Giran a razón de 14 a 34 rpm. La duración del amasado estará entre 40 y 60 segundos.

• Amasadora de artesa con eje horizontal. Consta de un recipiente cilíndrico con uno o dos árboles horizontales para los mecanismos agitadores, pueden ser de 1 a 2 ejes. Sirve de agitador. Pueden ser de producción continua.

La norma ASTM C94, Standard Specification for Ready Mixed Concrete plantea algunos requisitos para definir la uniformidad del concreto, que se presentan en la tabla Nº 43.

TABLA Nº 43: REQUISITOS PARA DEFINIR LA UNIFORMIDAD DEL CONCRETO

ENSAYOS

VARIACIÓN

(requisito expresado como máxima diferencia permisible entre los resultados

de ensayos de muestras tomadas de 2 puntos diferentes en la tanda de concreto)

Peso Unitario, (kg/m3), calculado sobre base sin aire. 16.0

Contenido de aire: (%) 1.0 Asentamiento:

ο Sí el promedio es de 10 mm (4") o menos

ο Sí el promedio es de 102 a 152 mm (4 a 6")

25.0 (1.0”)

38.0 (1.5")

% de agregado grueso. (porción en peso de cada muestra retenida sobre tamiz #4)

6.0

% de la resistencia a compresión a los 7 días. (sobre 3 cilindros) 7.5

• TIEMPO DE MEZCLADO

El tiempo de mezclado es función de la capacidad de la mezcladora para conseguir un concreto uniforme en todo momento. Este tiempo varía según el tipo de mezcladora y en general, depende del numero de revoluciones necesarias para conseguir una buena mezcla. Algunos investigadores han realizado pruebas para

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correlacionar el tiempo de mezclado con la uniformidad de la mezcla. Ver figuras Nº 26 y 27.

Ri

ti

lC

ió(k

/2 )

FIGURA Nº 26: EFECTO DEA

FIGURA Nº 27: RELACIÓN ECOEFICIENTE DE VARIA

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Tiempo de Mezclado (segundos)

L TIEMPO DE MEZCLA EN LA RESISTENCIA LA COMPRESIÓN

NTRE EL TIEMPO DE MEZCLADO Y EL CIÓN DEL CONCRETO PRODUCIDO

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Estas figuras muestran que la uniformidad de la mezcla en función del coeficiente de variación, es muy variable cuando el tiempo de mezcla es menor a 1 minuto. Igualmente que la resistencia del concreto puede incrementarse con un mayor tiempo de mezclado, pero dicho incremento de resistencia es muy pequeño para tiempos de mezcla mayores de 2 minutos.

Cuando se emplean agregados triturados existe la posibilidad que el incremento del tiempo de mezcla genere un cambio granulométrico a causa de la poca tenacidad y mayor fragilidad de estos materiales. Se consigue así un concreto áspero por presencia de finos que al ser controlado a ojo en la mezcladora incita a una mayor adición de agua y por ende a una pérdida de calidad del concreto por incremento de la relación a/c. También en este caso, podría presentarse una mayor segregación sí los agregados poseen densidades diferentes.

En general, el tiempo de mezclado se puede inicialmente establecer siguiendo el concepto planteado por el ACI (8) de emplear un minuto por yarda cúbica más 1/4 de minuto por cada yarda cúbica adicional de capacidad". (1 y3 = 0.765 m3) Lo anterior significa, 78 segundos por cada m3 y 20 segundos por cada m3 adicional. En la figura Nº 28 se indican los métodos de manejo del concreto a la descarga de la mezcladora.

• REMEZCLADO Y RETEMPLADO DEL CONCRETO.

Cuando se remezcla intermitentemente el concreto durante 2 a 3 horas, por lo general no se afecta la resistencia mas si trabajabilidad, siendo este efecto menor en la medida en que se evite la evaporación del agua. Si se posee un equipo enérgico de colocación, es factible colocar y terminar el concreto sin mayores perjuicios.

La adición de agua para restaurar la trabajabilidad, reduce en general la resistencia del concreto, esto se debe a que parte del agua original de la mezcla se ha combinado con el cemento iniciando el proceso de hidratación y la adición de agua modificará la relación agua-cemento y el remezclado rompería los enlaces que se habían empezado a producir entre la pasta y los agregados. A esta adición se le conoce como retemplado. En la figura Nº 21 se había mostrado este efecto. En la figura Nº 29, se presentan los resultados del retemplado para morteros en la ciudad de Cali. ( )31

31 A. Salazar, "Un método empírico para el proporcionamiento de mezclas de mortero de cemento Portland para albañilería”, Materiales de Construcción, Vol. 35, Nº 197, IETCC, enero/febrero/marzo 1985. Madrid.

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FIGURA Nº 28: MÉTODOS CORRECTOS E INCORRECTOS DE MANEJO DE CONCRETO

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FIGURA Nº 29: RETEMPLADO DE MORTEROS

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3.1.6 VIBRADO DEL CONCRETO ( )32

El instrumento más empleado para consolidar al concreto es el vibrador. La eliminación del aire atrapado en la masa del concreto, es el objeto fundamental de dicho proceso de consolidación. Cuando se tiene una mezcla fácil de consolidar con herramientas manuales, no debe vibrarse porque es posible que ello traiga una segregación. En general toda mezcla que se vaya a vibrar debe ser menos trabajable que la apta para compactar a mano. En algunas oportunidades el asentamiento de estas mezclas puede ser inferior a las consolidadas a mano, incluso llegándose a reducir en 1/3 el asentamiento. En general los encofrados para colocar mezclas duras y ásperas por métodos de vibración, deberán ser más fuertes y rígidos.

Hay varios sistemas para aplicar la vibración:

• Vibradores internos o de inmersión. Se emplean para consolidar al concreto en muros, columnas, vigas y losas. Se fabrican en tamaños entre 1 a 7” de diámetro y poseen frecuencias de vibración entre 3.500 y 13.000 ciclos por minuto. El rendimiento de compactación está entre 5 a 80 m3/h. El vástago de vibración es fácil de llevar y se aplica separando cada punto de vibración entre 0.5 a 1.0 metros (centro a centro) durante 5 a 30 segundos. El tiempo depende de la consistencia de la mezcla y en algunos casos se llegan a requerir hasta 2,0 minutos. Es importante retirar gradualmente el vibrador a fin de conseguir el cierre total y correcto de] hueco dejado por éste, tomándose como velocidad típica de extracción un valor de 80 mm/seg. Estos vibradores no extraen el aire ubicado alrededor de los encofrados, por lo cual deben cuidarse estas zonas para conseguir una buena consolidación.

• Vibradores externos. Estos son equipos que se fijan al encofrado de tal manera que se vibra éste y el concreto. Poseen frecuencias entre 3.000 y 6.000 ciclos/minuto y se emplean en la industria de la prefabricación para secciones delgadas en la obra ó cuando no se puede utilizar un vibrador interno.

• Mesas vibradoras. Se puede considerar como el caso de un encofrado fijado a un vibrador, caso opuesto al vibrador externo, pero el principio que los rige es igual para ambos.

En general los vibradores no deben utilizarse para colocar el concreto. El ACI plantea los métodos correctos e incorrectos de consolidación, ver figura Nº 25

Cuando se revibra el concreto después de colocado y consolidado y esta operación se realiza mientras éste aun posea alguna plasticidad, permitirá mejorar la adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo, mejorará la unión entre dos capas de concreto y por ende mejorará la resistencia del concreto. En la figura Nº

32 Mängel, S., Seeling, R., “Preparación y empleo del Hormigón”, Editorial Gustavo Gili, S.A., Barcelona, 1985

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30, se presenta el efecto del revibrado sobre al resistencia. La capa inferior en su parte superior debe ser revibrada y puede eliminar grietas de asentamiento o retracciones por secado e incluso efectos de sangrado interno.

Figura Nº 30: Relación entre la Resistencia a la compresión a los 28 días y el tiempo de Revibrado

3.1.7 CONSIDERACIONES DEL CONCRETO FRESCO BAJO TEMPERATURAS EXTREMAS ( )33

La temperatura tiene gran influencia en el fraguado y en la trabajabilidad del concreto fresco. Las temperaturas altas ocasionan:

• Desarrollo rápido del fraguado y del endurecimiento

• mala trabajabilidad

• mayor retracción

• más elevada resistencia a corto plazo

• menor resistencia final

Las temperaturas bajas generan:

• Retraso en el fraguado y en el endurecimiento

• Se mejoran las resistencias finales si se mantiene una buen curado.

En general los problemas surgen cuando hay una alta temperatura del concreto fresco y en muchos casos por la alta velocidad de evaporación del agua en la mezcla fresca. No se recomienda que el concreto fresco alcance temperaturas superiores a 29°C.

33 Nueva serie IMCYC 19, “Colocación del concreto bajo temperaturas extremas”, 1989, México

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La cantidad de agua requerida para hacer 1 m3 de concreto fresco aumenta al incrementarse la temperatura de este. Si la temperatura del concreto fresco aumenta de 10 °C a 38 °C es necesario adicionar aproximadamente 20 litros de agua por cada m3 de concreto con el objeto de mantener el asentamiento en 75 mm. (3") El mayor problema que esto ocasiona, es el incremento de la relación a/c, con lo cual se disminuye la calidad del concreto producido.

Anteriormente se indicó como calcular la temperatura del concreto fresco. En general, lo mejor para que no haya altas temperaturas es evitar que ella se produzca utilizando:

• cementos adecuados de acuerdo al clima. El uso de cemento caliente debe restringirse cuando tiene temperatura mayor a 75ºC.

• agregados bien seleccionados

• la mínima dosis de cemento posible

• en la ejecución apropiados volúmenes de vaciado, procurando no llegar a utilizar grandes masas de concreto.

Si las recomendaciones anteriores no impide la alta temperatura del concreto fresco, habra que utilizar técnicas difíciles y costosas que permitan reducir las temperaturas de los componentes del concreto. Por ejemplo, se puede afirmar que para una mezcla con relaciónes a/c = 0.5 y Agr./c = 5.6, se consigue un descenso de 1°C en la temperatura del concreto fresco al reducir:

• 9 °C la temperatura del cemento

• 3.6 ºC la temperatura del agua

• 1.6 ºC la temperatura de los agregados

• Igual efecto se consigue, si se añaden 6 kgs de agua en forma de hielo en escamas por m3 de concreto.

Otros efectos del clima caluroso sobre el concreto son:

• Incremento del agua de amasado.

• Pérdida rápida de la trabajabilidad y tendencia consecuente a añadir agua en el lugar de la obra.

• Incremento en la tendencia a la fisuración en estado plástico.

• Dificultad de controlar el contenido de aire incluido

• Incremento en la tendencia a la contracción por secado y al agrietamiento térmico diferencial.

• Reducción de la durabilidad

• Reducción en la uniformidad de la apariencia superficial.

En las figuras Nº 31, 32, 33 y en la tabla Nº 44, se observan algunos de los efectos mencionados.

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TABLA Nº 44: TEMPERATURAS TÍPICAS DEL CONCRETO PARA DIVERSAS HUMEDADES RELATIVAS POTENCIALMENTE CRÍTICAS EN RELACIÓN CON EL AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA. (*)

TEMPERATURA DEL CONCRETO (ºC) % DE HUMEDAD RELATIVA

41 90

38 80

35 70

32 60

29 50

27 40

24 30 (*) Temperatura máxima del concreto para diferentes humedades relativas, con objeto de limitar la

rapidez de la evaporación hasta aproximadamente 1.0 kg/m2/hr, suponiendo una velocidad del viento de 16 km/hr y una diferencia de temperatura entre el concreto y el aire de 6 ºC.

Figura Nº 31: Efecto de la Temperatura de Curado en la Resistencia del Concreto

14 23 3341

49

0

70

140

210

280

350

420

0 10 20 30 40 50 60

Temperatura de Curado (ºC)

f'c (

kg/c

m2 )

A 1 d

A 28 d


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Figura Nº 32: Requerimiento de Agua del Concreto v.s. Incremento de Temperatura (Ast. 80 mm., Tmax. Agr. 40 mm.)

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temperatura del Concreto (º C)

Con

teni

do d

e A

gua

(kg/

m3 )


FIGURA Nº 33: INFLUENCIA DEL EXCESO DE AGUA EN LA CONSISTENCIA Y RESISTENCIA DEL CONCRETO ( ) 34

34 Montoya, P., García, A., Morán, F., “Hormigón Armado”, 11ª edición, Editorial Gustavo Gili, S.A., Tomo I, Madrid 1981.

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CAPITULO 4: CONCRETO ENDURECIDO

4.1 CURADO DEL CONCRETO

El Comité 308 de la ACI define al curado como: "El proceso de mantener un contenido de humedad satisfactorio y una temperatura favorable en el concreto durante la hidratación de los materiales cementantes, de manera que se desarrollen en el concreto las propiedades deseadas".

El curado es entonces controlar la temperatura y los movimientos de humedad del concreto a fin de lograr la mayor hidratación del cemento. Con la edad las propiedades del concreto, mejoran siempre que las condiciones, para la continua hidratación del cemento, sean favorables. La mejora ocurre rápidamente en las primeras edades pero continua más lentamente por un periodo indefinido.

En el término curado quedan involucradas todas las operaciones aplicadas al concreto fresco, después de ser colocado, hasta que haya logrado un endurecimiento satisfactorio. Esto quiere decir, que hasta no conseguir dicho estado de endurecimiento el concreto debe protegerse contra toda influencia nociva como por ejemplo: contra la desecación por el calor o el viento; contra la lluvia, el agua corriente y ataques químicos etc. Un buen curado no significa alcanzar un rendimiento adicional en el comportamiento del concreto, sino que es una condición básica sin la cual no se pueden lograr las resistencias mecánicas exigidas por la obra y sus demás características de durabilidad.

El fraguado de la pasta de cemento pide agua que normalmente abunda en el concreto fresco. Si esa agua se evapora rápidamente, dicho proceso se interrumpe por carencia del agua suficiente para la hidratación. Las consecuencias de ello son: menores resistencias, granos de arena sueltos en las superficies por "quemado" de las mezclas, mayor permeabilidad del concreto y por consecuencia, menor estabilidad de volumen y menor estabilidad química frente a la influencia del clima y de los agentes agresivos. Se busca con el curado mantener al concreto saturado lo máximo posible pues la hidratación del cemento solo puede tener lugar cuando los capilares están llenos de agua. Por ello debe evitarse la pérdida de agua por evaporación y la que se evapora debe reemplazarse con agua externa.

La estructura del concreto endurecido esta gobernada por la proporción de sus componentes y por la estructura de la pasta de cemento. Una cantidad de agua aproximadamente igual al 20 % del peso del cemento se aglomera químicamente en la hidratación y otro 20% se concentra en los poros del gel. La hidratación de una muestra de concreto sellada herméticamente solo procede sí el agua presente en la pasta es por lo menos el doble del agua que ya se ha combinado. La velocidad de hidratación de una muestra sellada iguala a la de una muestra saturada. Lo planteado anteriormente afecta notablemente a las mezclas de concreto con una relación a/c menor de 0.5. Por lo tanto, en todas ellas debe evitarse la desecación. En la figura Nº 34 se aprecia la importancia de la presión de vapor en el curado.

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Figura Nº 34: Agua absorbida por el cemento seco expuesto durante 6 meses a diferentes presiones de vapor ( )

La intensidad de la evaporación está ligada a:

• La diferencia de temperaturas entre la superficie del concreto, y el ambiente.

• La humedad relativa,

• La velocidad del viento,

Una rápida desecación o evaporación genera tensiones de tracción que provocan grietas por retracción, Debe procurarse en las primeras horas que el concreto se seque lentamente y que en la desecación posterior, cuando las medidas del curado hayan concluido, posea suficiente resistencia para absorber dichos esfuerzos de tracción. En la Figura Nº 9 se presentó la influencia que tienen la temperatura del aire y del concreto, la humedad relativa y la velocidad del viento en la evaporación del agua de una superficie expuesta de concreto.

El concreto puede mantenerse húmedo mediante diferentes formas de curado:

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• Manteniendo sobre la superficie del concreto una humedad adicional durante los primeros días de endurecimiento. Se consigue por varios métodos:

ο Con una cubierta de material húmedo como arena, aserrín, etc.

ο Inundando con agua la superficie del concreto.

ο Por aspersión de agua.

Con estos métodos hay un relativo enfriamiento, a causa de la evaporación del agua superficial, resultando favorable su efecto en los climas cálidos.

• Por aceleramiento del curado, aplicando calor y humedad controladamente. Los métodos conocidos son:

ο Curado con agua caliente entre 50 a 90'C.

ο Curado con vapor libre.

ο Curado con vapor y presión.

En las Figuras 35 y 36 se muestra el efecto que la temperatura tiene sobre la resistencia del concreto. Con altas temperaturas el desarrollo de la resistencia se acelera en las primeras edades, pero serán inferiores a las obtenidas a largo plazo. Lo contrario ocurre con las temperaturas bajas.

En la Figura 37 se muestra el efecto de la humedad sobre el desarrollo de las resistencias a compresión. El concreto debe mantenerse húmedo lo más posible, pero especialmente durante los 7 primeros días.

4.2 LA RESISTENCIA DEL CONCRETO Y SUS RELACIONES

En general la resistencia del concreto endurecido se considera como la propiedad determinante de su calidad, aunque no deben olvidarse los conceptos relativos a la durabilidad y al costo de este.

En la práctica se acepta que la relación a/c y el grado de compactación, son los factores más significativos para lograr una buena resistencia mecánica y en particular un buen comportamiento a los esfuerzos de compresión. Existen otros factores que también inciden en la calidad resistente del concreto endurecido, como son:

• La calidad y la cantidad del cemento.

• La calidad y la cantidad de agua.

• La calidad y la cantidad de los agregados gruesos y finos

• El proceso de dosificación de los materiales

• El tiempo de mezclado

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FIGURA Nº 35: EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO A VARIAS EDADES (28)

73 ºF = 23 ºC 90 ºF = 32 ºC

105 ºF = 41 ºC 120 ºF = 49 ºC

A. Salazar 127


FIGURA Nº 36: EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO A VARIAS EDADES (28)

73 ºF = 23 ºC 55 ºF = 13 ºC 40 ºF = 4 ºC

A. Salazar 128


FIGURA Nº 37: TIPO DE CURADO Y SU INFLUENCIA EN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO A VARIAS EDADES (28)

• La temperatura a la cual se produce la hidratación

• El proceso de colocación y consolidación

• El proceso de curado

• El contenido de aire

Si se considera que con excepción de los tres primeros factores, todos los demás se controlan y definen adecuadamente, es factible plantear algunas relaciones empíricas entre la resistencia del concreto y:

• La cantidad de cemento

• La relación a/c

• La relación Ag/c

• La resistencia a una edad menor a los 28 días

Para todo lugar donde las calidades y las características de los materiales del concreto son conocidas y similares en función del tiempo, dichas relaciones empíricas permitirán definir la dosificación de una mezcla para producir un concreto definido de características o propiedades específicas.

A. Salazar 129


A continuación se presentarán algunas relaciones empíricas obtenidas al procesar la información recolectada en los laboratorios de materiales de la Universidad del Valle en los últimos años.

4.2.1 LA RELACIÓN a/c Y LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN A 28 DÍAS

La ley de Duff Abrams establecida en 1919 propuso que la resistencia del concreto es función de la relación a/c y expresó el siguiente modelo matemático:

( ) cac

KKf

2

1' =

La expresión obtenida en la Universidad del Valle es:

( )9.15' 832

cacf =

Coeficiente de correlación = - 0.84

Esta expresión se desarrolló para las siguientes condiciones:

o Diabasa triturada. Tmax entre 38.0 y 19 mm o Arena río Cauca. Módulo de finura entre 2.5 y 3.2 o Cemento Conquistador tipo Portland I (sacos) o Asentimientos entre 63.5 a 102.0 mm (2½ a 4") o Agua del Acueducto de Cali o Se procesaron 89 dosificaciones diferentes

4.2.2 EFECTO DE LA EDAD SOBRE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO.

Para el mismo número de datos y características en 4.2.1, se obtuvo la siguiente correlación:

07.1553.17' += ff c

(kg/cm2)

Coeficiente de correlación = 0.84

Esta ecuación corresponde a datos recolectados hasta 1988. Para datos recolectados entre 1988 y 1999, con el mismo tipo de agregados, agua y cemento, se obtuvo la siguiente ecuación:

A. Salazar 130


52.138072.17' += ff c

(kg/cm2)


Error standard estimado = 23,0 kg/cm2

Analizando las 2 ecuaciones anteriores se observa, que en los últimos años la posibilidad de alcanzar resistencia mayores a 7 días ha disminuido. Hasta 1988 se alcanzaba a los 7 días un 60% de la resistencia a 28 días, para la información recolectada entre 1989 y 1999 se alcanzaba entre el 32 y el 47% para f’c entre 210 y 280 kg/cm2.

4.2.3 EFECTO DE LA RELACIÓN Ag/c EN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO

Se conoce que tiene una notable incidencia para los concretos ricos en cemento. Para una relación a/c constante, se consigue que una mezcla pobre dé mejores resistencias.

En el laboratorio de materiales de la Universidad del Valle se ha procesado la información recolectada en los últimos años, obteniéndose la siguiente expresión de correlación entre la relación Ag/c vs f’c:

cAgf c

26.586.517' −= (kg/cm2)


Esta ecuación se desarrolló para las siguientes características:

o f´c entre 165 y 320 kg/cm2 o Cemento Conquistador o Arena río Cauca o Diabasa triturada. Tmax entre 38.0 y 19.0 mm o Se procesaron 30 dosificaciones diferentes.

4.2.4 EFECTO DE LA CANTIDAD DE CEMENTO EN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO.

Hay una cantidad de cemento óptima con la que se consigue la mejor resistencia para un agregado grueso de tamaño máximo definido.

En la medida en que se reduce el tamaño del agregado del concreto, esto es que se incrementa su superficie especifica, se requerirá un mayor contenido de cemento en las mezclas y se alcanzarán mejores resistencias que las obtenidas con tamaños

A. Salazar 131


mayores, a igual incremento de cemento. El contenido de cemento tiene gran influencia sobre la resistencia a la compresión y por esto, para aplicaciones definidas, se exige en muchas ocasiones un mínimo y hasta un máximo contenido de cemento.

FIGURA Nº 38: Relación entre el tamaño máximo del agregado, la resistencia a compresión y el contenido de cemento, para una mezcla sin aditivos ( )35

35 Sandino, A., “Hormigones de Alta Resistencia”, Informaciones Técnicas, Sika.

A. Salazar 132


FIGURA Nº 39: Relación entre el tamaño máximo del agregado grueso y la eficiencia del cemento (35)

4.3 LAS DEFORMACIONES EN VOLUMENES (25), (28), (36)

Los morteros y los concretes son materiales en constante evolución. La hidratación del cemento progresa con el tiempo de tal manera, que entre las diversas causas de las deformaciones, algunas se manifiestan con lentitud y muchas veces con retraso. Los morteros y concretes absorben o dejan evaporar el agua según el estado higrométrico de la atmósfera y se carbonatan con el tiempo, trayendo como consecuencia las deformaciones de volumen. Estas pueden ser:

a. Independientes de fuerzas externas,

• Contracciones hidráulicas por pérdida de agua

36 Powers, T.C., “Estructura física de la pasta de cemento Portland”, Enciclopedia de la Química Industrial, Tomo I, La Química de los cementos Volumen I, Ediciones Urmo, 1967, Bilbao, España.

A. Salazar 133


Antes de fraguado por desecación o compactación Después del fraguado

• Contracciones térmicas

• Contracción por carbonatación, oxidación u otros.

b. Dependientes de fuerzas externas

• Deformaciones instantáneas bajo carga

• Deformaciones progresivas bajo carga o fluencia (fluencia ó creep)

Para el concreto reforzado, el ancho tolerable de fisuras se define en la tabla Nº 45.

TABLA Nº 45: Ancho de fisuras tolerables para el concreto reforzado

CONDICIONES DE EXPOSICIÓN ANCHO TOLERABLE DE FISURA. (mm)

Aire seco o membrana proytectora 0.40 Humedad, aire húmedo o suelo 0.30 Productos químicos deshielantes 0.18 Agua de mar y brisa de mar; humedad y secado 0.15

Agua retenida en la estructura * 0.10

* Excluyendo tuberías no presurisadas

4.3.1 CONTRACCIONES HIDRÁULICAS POR SECADO

Existen algunos, cambios iniciales de volumen en el proceso de hidratación del cemento. El más significativo corresponde a la contracción de la pasta mientras ésta se encuentra en estado plástico. La magnitud de esta contracción de volumen es del orden del 1% del volumen total del cemento seco. A esta contracción se le denomina contracción plástica por presentarse mientras el concreto aún se encuentra en estado plástico. El control de este fenómeno de contracción se efectúa optimizando la cantidad de cemento a emplear y en alguna medida evaluando la calidad de este. En la tabla Nº 46, se presenta un resumen de las causas y magnitudes de las contracciones hidráulicas antes y después de fraguado.

En general, la pérdida de agua del concreto por evaporación o absorción, agrava la contracción plástica y puede generar un agrietamiento superficial. Si se evita la evaporación inmediata después de la colocación del concreto, se puede eliminar o reducir casi totalmente el agrietamiento presentado por esta causa, Genéricamente a estas contracciones se les denomina contracciones por secado. Prácticamente se considera que se producen en las grandes masas de concreto. La deformación generada, medida como deformación unitaria lineal, es del orden de 40 x 10-6 después de 5 años. En general es despreciable su efecto y solo preocupa en las obras con grandes masas de concreto, en donde se ve influenciada por la cantidad de cemento, la finura del mismo y la temperatura alta,

A. Salazar 134


TABLA Nº 46: CAUSAS Y MAGNITUDES DE LAS CONTRACCIONES HIDRÁULICAS

DEFORMACIÓN EFECTO CAUSAS

Por evaporación • Clima riguroso

• Alta relación área/volumen Rápida pérdida de

agua antes del fin de fraguado

Por absorción • Agregados porosos

• Superficies absorventes

CONTRACCIONES HIDRÁULICAS ANTES DE FRAGUADO

Compactación deficiente del concreto

Es más importante que la contracción después de fraguado

En pasta pura la contracción es:

a 2 días: 250 µ/m

a 5 días: 600 µ/m

a 7 días: 800 µ/m

a 28 días: 1300 µ/m

a 1 año: 1850 µ/m

• Cemento: finura, % de yeso óptimo, álcalis

• Agua de mezcla: presencia de substancias extrañas

• Adiciones minerales: finura de la adición

En mortero la contracción es:

a 2 días: 120 µ/m

a 5 días: 300 µ/m

a 7 días: 350 µ/m

a 28 días: 650 µ/m

a 1 año: 800 µ/m

• Cemento: finura y mayor riqueza

• Adiciones: la incorporación de puzolanas las reduce

• Curado: se incrementa cuando es mas bajo el grado higrométrico

• Aditivos: algunos la incrementan como el Cl2Ca en dosis > 2.0 %

CONTRACCIÓN HIDRÁULICA DESPUÉS DE FRAGUADO.

Se debe a la pérdida o eliminación del agua en atmósfera seca. Se han planteado fórmulas para calcularla con base en los resultados de diversos ensayos. En algunos países se tiene en cuenta para calcular concreto según el clima donde éste trabaje. Su magnitud es del orden de 0.2 a 0.3 mm/m.

En el concreto la contracción es:

a 2 días: 40 µ/m

a 5 días: 100 µ/m

a 7 días: 130 µ/m

a 28 días: 270 µ/m

a 1 año: 420 µ/m

• Agregados: depende de la naturaleza mineralógica y distribución de tamaño

• Dimensiones de la Obra: sí la relación área/volumen se reduce también se reduce la posibilidad de la contracción

• Densidad de refuerzos: la armadura se opone a la contracción

El curado permanente hace que se presente una expansión de volumen y un incremento de peso, debido a la absorción de agua por el gel del cemento. Esta es de una magnitud de 400 a 450 x 10-6 a los 28 días de colocado el concreto. El concreto se expande con un aumento de humedad y se contrae con una pérdida de humedad. Un concreto que no esté continuamente mojado, perderá agua y con ello ocasionar una contracción. La humedad relativa del aire afecta el contenido de humedad del concreto. Siempre entre la contracción por secado y la expansión por humedad, quedará una contracción irreversible entre un 30 - 60% de la contracción

A. Salazar 135


por secado. En la Figura Nº 40 se ilustran los movimientos de la humedad en el concreto.

Almacenamiento en agua

Almacenamiento al aire

Secado Ciclos alternados de mojado y secado

Muestra A

Muestra B

Tiempo

Dila

taci

ónC

ontr

acci

ón

FIGURA Nº 40: MOVIMIENTOS DE LA HUMEDAD EN EL CONCRETO

4.3.2 FACTORES QUE AFECTAN LAS CONTRACCIONES HIDRÁULICAS

Los factores más importantes son:

• La relación a/c y el contenido de agregado total en el concreto. A menor relación a/c, menores contracciones a igualdad de contenido de agregados. A igualdad de relación a/c, a mayor contenido de agregados menor contracción del concreto. Cuando la relación Ag/c crece, disminuye la contracción. En la figura Nº 41 se muestra este efecto.

• La naturaleza del cemento, su finura y cantidad en el concreto. En la figura Nº 42 se muestra este efecto

• La naturaleza y granulometría de los agregados, la proporción de agregados finos: a mayor contenido de agregados finos, mayor superficie específica, mayor requerimiento de agua y por ende mayor contracción. Los agregados duros resisten mejor la contracción.

• El agregado y el período de asentamiento de estos en el concreto fresco.

• La cercanía del refuerzo a la superficie. La contracción del concreto reforzado es menor que la del concreto simple.

A. Salazar 136


Figura Nº 41: Influencia de la relación a/c y el contenido de agregados sobre la contracción del concreto

0

400

800

1,200

1,600

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Relación a/c

Con

trac

ción

(10-6

)

50%60%70%80%

Figura Nº 42: Retracción del Concreto en función de la Cantidad de Cemento y la Relación a/c

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

250 300 350 400 450 500 550 600 650

Cantidad de Cemento (kg/m3)

Con

trac

ción

des

pues

de

6 m

eses

(mm

/m)

a/c = 0.3a/c = 0.4a/c = 0.5a/c = 0.6a/c = 0.7

A. Salazar 137


4.3.3 LAS CONTRACCIONES TÉRMICAS

Como todos los materiales, el concreto se dilata cuando la temperatura asciende y se contrae cuando está baja. Se puede tomar como un valor promedio, para cambios de longitud del concreto debidos a cambios de temperatura el de 1 mm en 100 metros por cada ºC. El acero posee un coeficiente de dilatación térmico de 1.18 mm en 100 metros por cada ºC.

El coeficiente de dilatación térmico para un concreto reforzado en general es de 1.09 mm en 100 metros para 1ºC de variación. En general la calidad del agregado influye notablemente en el coeficiente de dilatación térmico del concreto. Ver Tabla Nº 47. Tienen influencia aunque menos notoria que la de los agregados el contenido de cemento, a/c, el rango de temperatura, la edad del concreto y la humedad relativa.

TABLA Nº 47: Efecto del Tipo de Agregado en el Coeficiente de Dilatación o Contracción Térmico del Concreto ( )

TIPO DE AGREGADO Coeficiente de dilatación (millonésima por ºC) (*)

Cuarzo 11.9 Arenisca 11.7 Grava 10.8 Granito 9.5 Basalto 8.6 Caliza 6.8

(*) Son millonésima de mm/mm. Así, 11.9x10-6 equivale a 1.19 mm por cada 100 m de longitud

Los paneles prefabricados así como los pavimentos y losas de concreto se mueven por los cambios del gradiente de temperatura cuando el concreto se enfría por un lado y se calienta por el otro. La ecuación que permite calcular l movimiento de una placa de estas es la siguiente:

( )t

LTT8

221 α−

=∆

Donde: ∆ = Longitud de movimiento (mm) α = Coeficiente de expansión por ºC t = Espesor del panel (mm) L = Longitud del panel (mm)

A. Salazar 138


4.3.4 LAS CONTRACCIONES POR CARBONATACIÓN Y OTROS

El bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera genera reacciones químicas que afectan al cemento portland hidratado, Este fenómeno denominado carbonatación, aumenta la contracción del concreto al secarse y por ende, la propensión del concreto a agrietarse. Así mismo, se reduce la basicidad del concreto y con ello, la eficacia de éste como medio protector a la corrosión de los aceros. Los concretos que más se ven influenciados por el fenómeno de la carbonatación son los porosos y en especial los bloques de concreto porosos, muy susceptible para que les ocurra en la práctica, una rotura por contracción. La cantidad y la velocidad de la contracción por carbonatación en un concreto esta influenciada por:

• Las dimensiones y la porosidad • La concentración de CO2 • El contenido de humedad o humedad relativa del ambiente,

En general, las contracciones por secado y las generadas por carbonatación ocurren a la vez y raramente se distinguen. La máxima contracción por carbonatación se presenta cuando existe una humedad relativa del aire y de equilibrio alrededor del 50%. La figura Nº 43, expresa mejor lo anterior. Obsérvese que no ocurren contracciones notables por carbonatación, aunque existen en algún grado, a humedades relativas altas del orden del 100% o a valores menores del 25%.

Figura Nº 43: Contracciones por secado y Carbonatación de morteros a diferentes Humedades Relativas

-400

0

400

800

1,200

1,600

2,0000 25 50 75 100

% de Humedad Relativa

Con

trac

ción

10-6

Carbonatación Secado Secado seguido de carbonatación

Otras causas de contracción son:

A. Salazar 139


• El uso de aditivos. Por ello deben probarse en el laboratorio y comprobar sus bondades y defectos. La adición de cloruro de calcio como acelerante, origina incremento en la contracción por secado.

• Las dimensiones de las piezas y productos.

4.3.5 CONTROL DE LOS CAMBIOS DE VOLUMEN

Hay algunos factores adicionales adversos que pueden ser muy críticos para el concreto, pues sus efectos puede generar una alta contracción inherente durante el secado. Algunos procedimientos prácticos para evitar los cambios de volumen son:

• Limitar el agua del concreto al mínimo necesario para una adecuada colocación.

• Reducir o eliminar aquellas circunstancias que incrementan la demanda de agua del concreto, tales como: asentimiento alto y temperatura alta en el concreto fresco.

• Utilizar la mayor cantidad de agregados posibles en la dosificación del concreto • Trabajar con el mayor tamaño de agregado grueso permitido por los elementos

a vaciar en la obra. • Emplear agregados limpios, sanos y exentos de arcillas • De ser factible, utilizar el curado al vapor. • Dosificar agregados, finos y gruesos, que tengan características de baja

contracción

4.3.6 DEFORMACIONES QUE DEPENDEN DE FUERZAS EXTERNAS

Las deformaciones que se producen por efecto de una carga sobre un espécimen de concreto, pueden dividirse en dos tipos:

• La deformación instantánea bajo carga ó deformación unitaria elástica • La deformación diferida bajo carga fija aplicada indefinidamente. Se le

denomina: "flujo plástico”, “fluencia”, “creep”.

En la figura Nº 44 se presenta el diagrama de la deformación en el tiempo.

Se puede definir a la “fluencia” como un aumento en la deformación unitaria del concreto bajo una carga fija. Sometido una carga permanente, la fluencia continua durante muchos años, pero la rapidez disminuye con el tiempo. En intervalos normales de esfuerzos, la fluencia es proporcional al esfuerzo. La magnitud máxima de esta deformación en el concreto simple por esfuerzo unitario (kPa) puede varias entre 1.0 a 8.0 millonésima en términos de longitud pero generalmente es de 4.0 millonésima o menos.

La fluencia depende de múltiples factores, pero es muy difícil determinar como está afectada por las diferentes propiedades del concreto pues el cambio de las proporciones de los materiales en el concreto, por ejemplo, incide en más de una de

A. Salazar 140


sus propiedades. Aun así, en estudios sobre el tema realizados empíricamente, se definieron algunas influencias: ( )

Deformación Total

Fluencia

Deformacióninstantánea

Tiempo

Def

orm

ació

n un

itaria

∆l /l

FIGURA Nº 44: Diagrama de fluencia con carga constante a través del tiempo

• La humedad relativa del medio que rodea al concreto incide en cuanto que a la fluencia será mayor a menor humedad relativa. El método de curado del concreto antes de la carga tiene un gran efecto en la magnitud de la fluencia. Ver figura Nº 45.

Tiempo despues de carga (días)

Flue

ncia

7 días con curado húmedo

Curado con vapor a presión atmosférica

Curado con vapor a alta presión

50 100 150 200 250 300

FIGURA Nº 45: Efectos del Método de Curado en la Magnitud de la Fluencia par un Concreto Típico de Peso Normal.

• La magnitud del esfuerzo aplicado también tiene un efecto importante. A mayor magnitud del esfuerzo mayor fluencia. Existen algunos límites expresados en función de la relación esfuerzo/resistencia, siendo el limite superior,entre 0.30 y 0.75. En general, el microagrietamiento del concreto sometido a un esfuerzo de compresión tiene lugar cuando la relación esfuerzo/resistencia está entre 0.4 y 0.6. Por encima del límite de proporcionalidad, la fluencia se eleva en forma creciente al incrementarse el esfuerzo y hay un valor para esta relación

A. Salazar 141


esfuerzo/resistencia para el cual la fluencia con el tiempo produce falla. En términos de la resistencia estática instantáneamente, esta relación esfuerzo/resistencia queda dentro de los límites de 0.8 a 0.9. La fluencia incrementa la deformación unitaria última del concreto. Esto implica, al menos en la pasta del cemento, una deformación unitaria limite de falla del concreto.

• La edad y la resistencia del concreto cuando se aplica esfuerzo. Dentro de limites amplios, el aumento de la resistencia del concreto origina una importante reducción en la deformación debida al efecto de fluencia. En otras palabras la fluencia es inversamente proporcional a la resistencia del concreto en el momento de aplicación de la carga.

• El tipo de cemento afecta a la fluencia en cuanto a su papel en el desarrollo de la resistencia del concreto en el momento de la aplicación de la carga Por consecuencia, la finura del cemento también tiene incidencia en este aspecto. Los cementos con adiciones, por ejemplo: puzolanas o calizas, afectan en cuanto a su papel en el desarrollo de las resistencias. Si dichos cementos reducen la velocidad de generación de resistencias mecánicas por ende tendrán efecto en el incremento de la fluencia. Este aspecto debe evaluarse muy detalladamente en el caso de los cementos Colombianos, la mayoría de loa cuales poseen adiciones controladas o no, ya sea de cenizas volantes, o puzolanas naturales en su fase de molienda. Así como la calidad del cemento tiene posibilidades de incidir en la fluencia del concreto, la cantidad de pasta y su concentración también afectan la fluencia de éste.

• En cuanto a los agregados, estos tienen posibilidad de restringir el desarrollo de la fluencia de la misma manera que actúan frente a las contracciones hidráulicas o por secado. El efecto de restricción ocurre porque es la pasta de cemento la que presenta la contracción plástica mientras el agregado en general, no experimenta dicho fenómeno. De ahí que una adecuada granulometría con un óptimo tamaño máximo del agregado grueso y una mayor relación Ag/c, traerán como consecuencia un concreto con menor fluencia efectiva.

A. Salazar 142


CAPITULO 5: PATOLOGÍA Y DURABILIDAD DEL CONCRETO

5.1 RESUMEN

En los últimos años, el término patología de los materiales, concretos, estructuras, etc. ha conseguido interesar y atraer a un número cada vez mayor de profesionales con afinidad por las obras civiles. Este término significa detectar las causas de las enfermedades que afectan a las obras civiles, define el tratamiento a seguir y los métodos de prevención de ellas, todo con el fin de evitar colapsos que terminan generalmente costando dinero no presupuestado y en el peor de los casos, lamentando la pérdida de vidas y bienes.

Una de las causas frecuentes de patología en el medio Colombiano, es la inadecuada selección de los materiales que componen al concreto, al no considerarse su calidad química, física y mecánica, tanto como su estabilidad volumétrica frente a las variaciones climáticas y ambientales. Asi también, un concreto que no reúne características suficientes de compacidad, impermeabilidad y estabilidad volumétrica frente a éstas variaciones climáticas y ambientales, dará como resultado un fenómeno patológico.

No son éstas las únicas causas de patologías en el concreto o en las obras civiles, puesto que también se presentan problemas por errores u omisiones en la concepción del proyecto, en el análisis de suelos y cimentaciones, en el diseño estructural, en la ejecución de la obra, en el uso y aun, en el mantenimiento de la misma.

En éste documento se analizan las causas de los problemas, los efectos y posibles tratamientos al concreto sometido a fenómenos patológicos, tomando en consideración los materiales.

Las expresiones "Patología" y "Patología de la Construcción", son evidentemente incorrectas. Su uso en construcción es probablemente de origen francés y aunque se ha intentado encontrar expresiones gramaticalmente más correctas, la realidad es que el poder evocador del nombre y su brevedad han hecho fortuna y pueden considerarse definitivamente acuñados.

La patología de la construcción corresponde al estudio de las fallas, defectos y enfermedades de las obras civiles. Estos estudios se vienen realizando desde mucho tiempo atrás en todo el mundo, observándose un incremento en la frecuencia de ellos, que se explica, en algún sentido, por los avances en el cálculo de estructuras, como en el campo de la tecnología del concreto y de sus materiales, permitiéndose con ello ajustes estrictos de todas las variables que intervienen en el diseño del concreto armado, tal que éste cumpla, sin mayores excesos con su papel resistente en la medida prevista.

Se dice que el avance en la construcción se mide por el peso de las obras. Hoy en día el desarrollo de novedosos materiales y sistemas constructivos aunados al

A. Salazar 143


aporte del cálculo de estructuras con la reducción del peso de las mismas, permite establecer como cierta dicha afirmación.

Las ventajas de este desarrollo no son cuestionables pero ello no elimina la posibilidad de que se presenten serios inconvenientes. En las estructuras de concreto armado que poseen secciones mínimas seguras, los efectos causados por ambientes agresivos, la selección inadecuada de materiales, los curados defectuosos, etc., pueden generar fallas o defectos que ponen en serio peligro dicha seguridad por carecer éstas estructuras de las reservas suficientes para hacerle frente a aquellos fenómenos. Anteriormente las estructuras estaban sobredimensionadas por lo que podían soportar durante años los efectos agresivos sin sufrir desperfectos mayores que amenazaran su estabilidad o integridad. Son incuestionables los múltiples ejemplos al respecto, como es el caso de las fortificaciones de concreto armado construidas en la primera guerra mundial en las costas normandas que aún funcionan perfectamente pese al alto grado de corrosividad presente en el ambiente. Contrasta ello con edificaciones esbeltas ubicadas en la misma zona, más al interior y de menor edad, que han sido abandonadas por estar afectadas totalmente por la corrosión.

La conclusión al respecto, generalizada en todo el mundo, es: frente a los mismos agentes agresivos la estructura más desarrollada exige más cuidado en el proyecto y selección de materiales, mayor vigilancia en la ejecución, protección y mantenimiento; en suma, se requiere de más calidad en busca de satisfacer el concepto básico de DURABILIDAD, aspecto que ha estado poco ligado al espíritu de nuestro constructor.

En el medio de la ingeniería de las construcciones civiles aparecieron hace algunos años alternativas para el cálculo de estructuras y más aún, novedosas técnicas constructivas, que se han impuesto; sinembargo, poco o nada se ha avanzado en la tecnología de los materiales de construcción y del concreto, en particular en america latina. Se emplean materiales que no han sido totalmente caracterizados, frecuentemente éstos son causantes de las fallas observadas en distintas obras. Se produce concreto con métodos empíricos o aplicando tecnologías en desuso desde hace muchos años por considerarlas no apropiadas para garantizar una calidad uniforme de producto. Se puede afirmar, que en el sector de la construcción en nuestro medio el objeto del control de calidad aún no se comprende y desafortunadamente no constituye una necesidad sentida por la mayoría de los productores de materiales de construcción. El desarrollo realmente se da si existe la calidad y esta debe presidir todas las fases de la construcción de la obra y de su mantenimiento.

A. Salazar 144


5.2 IMPORTANCIA DE LA PATOLOGÍA ESTRUCTURAL ( )37

Se empieza a vivir una época de gran preocupación por la calidad en la construcción. Los técnicos, los constructores y la administración, son conscientes de que la calidad es rentable a corto y largo plazo y no solamente desde el punto de vista económico al evitar gastos de reparación y aumentar la vida de las obras, sino también desde el punto de vista del prestigio nacional e internacional, que en definitiva se traducirá en beneficios también económicos. No es de extrañar que ante las ventajas que se obtienen al hacer las cosas bien hechas, el problema de la calidad haya tomado un cariz de interés internacional en un mundo de apertura económica y alta competencia.

La patología de la construcción está íntimamente ligada y de forma inversa a la calidad y si bien en esta última se ha avanzado mucho y se continúa progresando cada vez más, no por esto los casos patológicos han disminuido en la misma proporción.

Realmente las lesiones o enfermedades en las estructuras son fenómenos tan viejos como los propios edificios de los que forman parte. En Mesopotamia, hace cuatro mil años, el Código de Hammurabí señalaba ya, cinco reglas para prevenir defectos en los edificios, siendo por tanto el primer tratado que se dictó sobre Patología en la Construcción.

Las cinco reglas básicas a que se refiere el citado Código, por lo drástico de su contenido, es posible que tuviesen en aquella época una gran repercusión en la calidad de la construcción. Estas reglas eran:

1. Si un constructor hace una casa para un hombre y no la hace firme y su colapso causa la muerte del dueño de la casa, el constructor deberá morir;

2. Si causa la muerte del hijo del dueño de la casa, el hijo del constructor deberá morir;

3. Si causa la muerte de un esclavo del propietario de la casa, el constructor deberá dar al propietario un esclavo de igual valor;

4. Si la propiedad fuese destruida, él deberá restaurar lo que fue destruido, por su propia cuenta;

5. Si un constructor hace una casa para un hombre y no la hace de acuero con las especificaciones, y una pared se cae, el constructor reconstruirá la pared por su cuenta.

37 FERNANDEZ CANOVAS, M. "Patología y Terapéutica del Hormigón Armado", Madrid, Editorial Dossat S.A, 2ª edición, 1984.

A. Salazar 145


Es realmente difícil conocer la situación actual del problema patológico estructural debido a que, así como los éxitos siempre se lanzan a los cuatro vientos, los fracasos se arropan, se guardan y se procura evitar su trascendencia. Ocurre con frecuencia que a muchos de los defectos o lesiones que presentan las estructuras se les dá poca importancia y, por lo tanto, no llegan a formar parte de las estadísticas debido a que el propio constructor los corrige, los cubre o los encubre. En varias ocasiones se nos ha pedido consejo de cómo arreglar un fallo, no buscando garantía en la reparación, sino que la falla pasara desapercibido ante el cliente.

Todo esto hace que muchos de los defectos o lesiones estructurales que conocemos con detalle sean aquellos que por su magnitud es imposible disimularlos o aquellos otros que han dado lugar a intervenciones de tipo legal. De esto defectos, más o menos importantes y espectaculares, son de los que, en general, se ocupan los períodicos, las revistas o los libros especializados pero, de los demás, de los que no pueden dar lugar a una catástrofe inmediata, y son enfermedades progresivas que terminarán arruinando a la estructura, de ésos, no se ocupan las revistas, no se les dá publicidad y es el usuario del edificio o de la construcción el que ha de soportarlos.

Jean Blevot ha realizado un estudio bastante detallado y completo de las principales causas de siniestros en estructuras de concreto armado a partir del análisis de los documentos de 2.979 siniestros existentes en los archivos del Bereau Securitas y Socotex. Aunque los sinestros recogidos datan desde el año 1948 al 1974, los casos más antiguos no han perdido actualidad y dan gran luz sobre las causas principales que motivaron los siniestros; por otra parte, hay que tener en cuenta que no siempre es fácil determinar la causa principal de un accidente y por consiguiente, clasificarlo con vistas a una estadística fiel, debido a que el factor de apreciación personal influye mucho en la determinación de las causas del siniestro. La distribución porcentual que da Blevot en función de las causas que los produjeron se muestra en la tabla Nº 48.

Aunque esta estadística es amplia en cuanto a la población de los casos estudiados, conviene tener en cuenta que está realizada sobre construcciones francesas y si bien es aplicable a otros países, existen factores climáticos y tecnológicos que hacen que los porcentajes, por las diversas causas analizadas, varíen en ellos; de todas formas es de gran utilidad, pues indica qué puntos son los delicados y sobre los que hay que extremar la vigilancia tanto en proyecto como en obra.

A. Salazar 146


TABLA Nº 48: CAUSAS DE PATOLOGÍA Y % DE PARTICIPACIÓN TOTAL

CAUSAS DE LA PATOLOGÍA % %

Errores de concepción general (De éstos los queconciernen a la concepción de la estructura o interesan a laestabilidad, son 0,7%)

3,5

Errores en las hipótesis de cálculo, errores materiales yausencia de estudios. 8,5

Disposiciones, a priori, defectuosas en ciertos elementoso en la transmisión de esfuerzos. (fundamentalmente en ladisposición de armaduras)

2,5

Desórdenes resultantes de deformaciones excesivas. 19,7

Desórdenes resultantes de los efectos de variacionesdimensionales:- Terrazas, balcones, cornisas y en general elementos

exteriores de un edificio- Elementos de hormigón armado insuficientemente

aisladas bajo buhardillas - Unión de pisos y elementos estructurales- Los que afectan a bovedillas cerámicas o de hormigón

26,5%

5,0%10,0%2,2%

43,7

Defectos de ejecución- Encofrado- Hormigonado- Armado - Desencofrado- Causas múltiples (hormigón y aceros defectuosos)- Falsas maniobras

2,0 %4,0 %7,0 %0,5 %1,5 %1,5 %

16,5

Fenómenos de tipo químico y de hielo,- Descomposición del hormigón y corrosión de armaduras - Efectos del hielo

1,5 %2,5 %

4.0

Causas diversas. 1,6

A. Salazar 147


5.3 ESTADO ACTUAL DEL PROBLEMA ( )38

Un observador ajeno al tema, al contemplar el crecimiento de los fallos en construcción, pensaría probablemente que cada vez disminuye la capacidad del hombre para construir correctamente. Esto no es cierto. Sí lo es que el número de fallos y de problemas en general, crece sin cesar, pero no proporcionalmente a lo construido. Juzgar el origen del crecimiento de la patología es tarea delicada y compleja y no puede abordarse sin considerar cuidadosamente lo siguiente:

•

•

•

Hoy se construye mucho más de lo que se ha construido nunca.

Se construye con mucha velocidad.

Se llevan a cabo construcciones de mucha mayor complejidad que en el pasado.

Aunque los esfuerzos realizados en la formación profesional son de buena calidad y muy meritorios, su intensidad está muy por debajo, no solo de la necesaria para mejorar la calidad de la mano de obra, sino incluso de la imprescindible para mantenerla en su insatisfactorio nivel actual. Los planes de estudios universitarios se revelan como incapaces para proporcionar a la industria de la construcción el número de profesionales bien preparados que ella necesita.

En sectores muy amplios de la construcción, aparecen continuamente materiales que después de una vida corta son reemplazados por otros que presentan más interés. En medida importante esto impide adquirir una experiencia válida sobre su uso. Por supuesto se mantiene en los técnicos la validez de la experiencia profesional general, pero decrece el valor de la experiencia con creta sobre ciertos materiales y procesos, por su corto período de uso.

5.4 TERMINOLOGIA BASICA

• PATOLOGIA DE LA CONSTRUCCION. El tratamiento sistemático de los defectos de las construcciones, sus causas, sus consecuencias y sus remedios.

• DEFECTO. Una situación en la que uno o más elementos de una construcción no cumplen la función para la que han sido previstos.

• FALLO. La finalización de la capacidad de un elemento para desempeñar la función requerida.

•

ANOMALIA. Una indicación de un posible fallo.

38 Calavera, J., “Patología de estructuras de Hormigón Armado y Pretensado. Tomo I”, INTEMAC, Madrid, 1996

A. Salazar 148


5.5 REHABILITACION Y REFUERZO

Aunque la patología de las obras de concreto, como estudio de las causas, gravedad y evolución previsible de los defectos presentados por una construcción, es de aplicación válida a toda situación de daño, conviene distinguir bien entre lo que es rehabilitación y lo que es refuerzo. Rehabilitación, es la readquisición por los elementos de obras dañados, de la capacidad que dichos elementos tenían antes de producirse el daño, para cumplir su función. Refuerzo, es el incremento de la capacidad que un elemento no dañado tiene para cumplir su función, hasta niveles más altos de dicha capacidad. Es claro que las técnicas para rehabilitar y para reforzar una construcción de concreto, son comunes en gran parte, sí bien no en su totalidad.

5.6 TECNICAS EMPLEADAS

Las situaciones que se presentan en los procesos patológicos son extraordinariamente variadas y también lo son las ciencias y técnicas disponibles para estudiar las causas, medir la gravedad de los daños, establecer el diagnóstico, fijar la posible necesidad de rehabilitación y refuerzo y proyectar y realizar estas operaciones.

Sin carácter limitativo, deben citarse en particular la tecnología de los materiales empleados, los métodos de ensayo destructivos y no destructivos, los sistemas de medición de la geometría de la estructura, los sistemas de medición de deformaciones de todo tipo, los análisis físicos y químicos de los materiales y por supuesto todos los recursos de la resistencia de materiales y del cálculo estructural.

Muchos de estos métodos están en rapidísima evolución y es muy intensa la velocidad de aparición de nuevos materiales y técnicas tanto para el estudio en sí como para la ejecución de rehabilitaciones y refuerzos.

5.7 LA FORMACION NECESARIA

La descripción de las técnicas empleadas realizada en el apartado anterior, anuncia ya la correlativa complejidad de la formación que el especialista en patología de las construcciones de concreto necesita.

Con independencia de la adecuada formación teórica que ha de recibir, la experiencia práctica adquirida en el trabajo junto a otros colegas experimentados es en este caso indispensable.

Esta especialidad, como la mayoría de las relacionadas con la construcción es una mezcla de técnica y arte y junto al desarrollo de la intuición basada en el estudio riguroso, es imprescindible un cierto "sentido de la estructura" que difícilmente se tiene si no se ha adquirido en el laboratorio de ensayos estructurales, viendo repetidas veces las formas de agotamiento de los diferentes tipos de materiales y elementos.

A. Salazar 149


Conviene evitar dos errores, hoy frecuentes:

•

•

El primero es creer que la patología estructural la puede ejercer cualquier profesional, sin necesidad de una especialización adecuada.

El segundo, está ligado a la necesidad de los equipos multidisciplinarios, aspecto hoy obvio, pero sobre el que conviene precisar algo más. Un grave error de tiempos pasados fue el que los especialistas en patología estructural abordasen el estudio de los problemas con sus solos conocimientos, ignorando que, según los casos, la colaboración de geotécnicos, químicos, físicos, geólogos, topógrafos, electrónicos, informáticos, etc. puede ser imprescindible en muchos casos.

La reacción contra este planteamiento absurdo, está conduciendo a otro absurdo de opuesto signo, pero absurdo también, y es el abordar los estudios sólo por especialistas en geotecnia, química, física, etc. Toda colaboración necesaria debe estar disponible, pero creemos que la dirección de un estudio de este tipo, y sobre todo la toma de decisión final, la debe realizar un especialista en patología estructural, es decir una persona con la formación necesaria para tener un concepto integral del funcionamiento de la estructura, asesorado por quien sea necesario. Lo contrario sería caer en el error de que, una vez admitida la absoluta evidencia de que un cirujano necesita la colaboración de biólogos, farmacólogos, anestesistas, etc., se cometiera el error de que fuera uno de estos el que dirigiera las operaciones quirúrgicas.

5.8 LA AUSENCIA DE NORMATIVA

Los problemas de patología de las construcciones de concreto no están hoy, en ningún país, cubiertos por normativa. Ello es lógico, pues el estado de la cuestión no ha alcanzado una estructura científica que permita normalizarlo.

Hay que pensar que las normas y reglamentos están previstos para el proyecto y ejecución de construcciones futuras, mientras que la patología estudia construcciones ya realizadas. La extrapolación de tales normas a los estudios de patología carece de toda lógica.

Para el desarrollo de esta especialidad, aunque la ausencia de normativa no deje de presentar algunos inconvenientes, son mas las ventajas que los inconvenientes que ello presenta. Una normalización prematura sería propicia a contraer errores importantes y retrasaría el libre desarrollo de técnicas y procedimientos.

Sin embargo, lo anterior debe al mismo tiempo inducir a la adecuada cautela pues la libertad de trabajar fuera del campo cubierto por la normativa, va acompañada del incremento de responsabilidad que ello encierra.

El especialista en patología de las construcciones de concreto debería tener siempre presente que un fallo es siempre posible, pero que en su caso sería especialmente considerado que la novedad del campo exige especial prudencia y

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que su intervención en cada caso concreto está basada en su carácter de especial conocedor del tema.

5.9 DURABILIDAD DEL CONCRETO

La durabilidad se puede definir como la resistencia del concreto a la acción del clima, a los ataques químicos, a la abrasión o a cualquier otro proceso de deterioro. Todo concreto debe resistir sin deteriorarse con el tiempo en el ambiente o condiciones para las cuales fue proyectado. Un apropiado diseño de concreto y la selección de materiales idóneos no garantizan la durabilidad de este. Hay que controlar la calidad de la preparación de la mezcla y del transporte, así como desarrollar una buena práctica constructiva, para elaborar y colocar concretos durables.

Existen factores externos que afectan la durabilidad del concreto: causas físicas, químicas o mecánicas, condiciones climáticas, temperaturas extremas, abrasión o erosión. También hay causas internas tales como la reacción álcalis – agregados, descrita en el aparte 2.4.7, o una alta permeabilidad del concreto. Este último factor prácticamente determine la vulnerabilidad del concreto ante los agentes externos. Todo concreto durable debe ser impermeable.

5.9.1 CAUSAS EXTERNAS

En cuanto a las causas externas, se distinguen los ataques por sulfatos y por ácidos. Existen factores que incrementan el deterioro y otros que lo disminuyen a saber:

• Factores que incrementan el deterioro:

Temperaturas más altas

Velocidades de fluidos incrementadas

Baja compacidad del concreto

Mal curado

Ciclos de humedecimiento y secados

Corrosión de las armaduras.

• Factores que reducen el deterioro:

Relación agua/cemento bajas

Uso del tipo adecuado de cemento

Absorciones bajas

Permeabilidad baja

A. Salazar 151


5.9.2 ATAQUE POR SULFATOS

El ataque por sulfatos del concreto, es uno de los más frecuentes, dado que dichos componentes se encuentran presentes en los suelos o disueltos en el agua de amasado como de curado e incluso en aguas que pueden encontrarse en contacto con el concreto cíclicamente, como los niveles freáticos o las aguas subterráneas.

El sulfato más pernicioso es el de magnesio que cuando se encuentra en solución saturada causa graves deterioros en el concreto, aunque con relaciones a/c bajas, dicho deterioro ocurre después de 2 a 3 años. Una concentración de sulfatos en el agua de 1000 ppm se considera moderadamente severa y 2000 ppm muy severa. Las concentraciones de sulfatos solubles en el suelo con análoga calificación a la anterior son 0,2 y 0.5%. En la tabla Nº 49, aparecen las recomendaciones del ACI para el concreto normal expuesto a ataques por sulfatos ( )39

TABLA Nº 49: Recomendaciones para el concreto normal expuesto a ataques de sulfatos

Grado de exposición

Sulfato hidrosoluble en el suelo (%SO4)

Sulfato contenido en el agua (ppm SO4)

Cemento recomendado

Máxima relación a/c

(+)

Suave 0.00 - 0.10 0 - 150 - -

Moderado (*) 0.10 – 0.20 150 – 1500 Tipo II 0.50

Severo 0.20 - 2.00 1500 –10000 Tipo V 0.45

Muy severo > 2.00 > I0000 Tipo V más puzolána (**) 0.45

(+) Para prevenir la corrosión de los aceros en el concreto se puede requerir una relación agua/cemento menor.

(*) Aquí se incluye el agua de mar (**) Emplear una puzolana que mejore la resistencia a los sulfatos,

La reacción de los aluminatos hidratados con los sulfatos, da lugar a la formación de la ettringita ó bacilo del cemento que va acompañada de un aumento de volumen que genera un incremento de tensiones internas, llegando a causar fisuramientos y destrucciones del concreto. El caso más frecuente es el de las tuberías de concreto para alcantarillados urbanos que se revientan a los pocos años de uso. Es importante tener presente, que el cemento que puede emplearse en medios con alto contenido de sulfatos es aquel cuyo contenido de aluminato tricálcico (AC3) no supera el 5%. Sí se adiciona puzolana al concreto, se mejorará mucho más el comportamiento frente al medio que contenga sulfatos. Cuando se construye a la orilla del mar, los concretos deberán soportar los efectos combinados de los sulfatos y los cloruros, se requiere para estos casos, utilizar cementos con un contenido de

39 ACI 201, “Durabilidad del Conceto”, Nueva serie IMCYC C/20, Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto, México, 1989

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C3A entre 5% y 6%, pues los aluminatos fijan los cloruros, causantes de la corrosión de los aceros en el concreto.

De igual manera deberán analizarse los agregados buscando su inalterabilidad frente a los sulfatos, recurriendo a la prueba de sanidad de agregados, como la NTC 126. El empleo creciente, también, de las escorias gruesas del carbón como agregados en la región del Valle del Cauca y en otros lugares de Colombia, debería estar respaldado por la aplicación de la norma anterior.

5.9.3 ATAQUE POR ÁCIDOS ( )40

En cuanto al ataque por ácidos, ningún concreto cuya base sea el cemento Portland, podrá soportar por largo tiempo el ataque provocado por sustancias ácidas en alta concentración. En estos casos las superficies expuestas deberán protegerse con recubrimientos antiácidos o emplear otros tratamientos antiácidos afines. Las tuberias de alcantarillados para conducción de aguas residuales deberán fabricarse con cemento Portland Tipo V certificado. Este tipo de cemento, las protegerá mejor de los ataques ocasionados por acción del ácido carbónico, ácido sulfihidrico o sales con contenidos de sulfatos. Lo lógico seria utilizar cementos apropiados combinados con aditivos antiácidos para proteger las superficies expuestas. Igual acción ocurre cuando las tuberías de concreto de cualquier tipo, se ubican en suelos con altos contenidos de sulfatos solubles, como puede ser el caso de terrenos, recuperados por rellenos sanitarios.

Se han planteado diferentes pruebas físicas y químicas para determinar la resistencia del concreto a los ácidos, pero aun no hay un método standard. Lo importante es que las pruebas se realicen en las condiciones reales de exposición y no con ácidos concentrados. Los tratamientos superficiales con alquitrán, pinturas bituminosas o de caucho, resinas epóxicas, silicofluoruro de magnesio y otros más, se han empleado con éxito.

El concreto también se deteriora al ser atacado por el CO2 disuelto en aguas cenagosas o procedentes de corrientes de aguas puras de las zonas montañosas.

El fenómeno patológico más observado es el de la carbonatacion del concreto. La prueba de la carbonatación se realiza impregnando la superficie del concreto con una solución alcohólica de fenoftaleina al 1%. La zona carbonatada aparecerá incolora y violeta - rojiza la que aún no lo está.

• ASPECTOS BASICOS DE LA CARBONATACION

El CO2 presente en la atmósfera, reacciona en presencia de humedad con la portlandita o hidróxido de cálcio que se libera en la hidratación de los cementos.

40 Lea, F. M., “The Chemistry of Cement and Concrete”, 3ª edición, Chemical Publishing Company INC., 1971

A. Salazar 153


Se requieren concentraciones mínimas de anhídrido carbónico para que se produzca esta reacción de ataque de un ácido sobre el concreto. El proceso de carbonatación se desarrolla desde la superficie hacia el interior. La velocidad de este proceso depende de:

Del contenido de CO2 en el aire De la humedad relativa del medio ambiente De la calidad del concreto

El uso de puzolanas en la producción cementos y hormigones, reduce el riesgo de la carbonatación pero exige que los hormigones sean curados con más cuidado que aquellos producidos con cementos Portland. Se recomienda duplicar el tiempo de curado normal, que es de 7 días, especialmente en elementos que no quedan a la intemperie. La carbonatación tiene su máxima velocidad de propagación cuando la humedad relativa es del 60%. En la figura Nº 46 se muestra el desarrollo de la carbonatación del concreto en función de la humedad.

FIGURA Nº 46: Carbonatación del Hormigón v.s. Humedad Relativa

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

Humedad relativa (%)

Gra

do d

e C

arbo

nata

ción

La carbonatación aumenta la contracción del concreto al secarse y por consiguiente, la propensión de éste a agrietarse. Este fenómeno se presento en la figura Nº 43.

El fenómeno se detecta también, con la aparición de algunas manchas blancas en la superficie del concreto causadas por el efecto de disolución y lixiviación de la portlandita y sí el ataque es interno, hay una degradación de la tobermorita que pierde su capacidad de aglomerar generándose la destrucción del elemento.

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Los factores que favorecen la carbonatación son:

Las grietas y fisuras del concreto. Las dimensiones críticas en las fisuras comienzan a los 0.3 mm para el concreto normal.

La relación a/c. Para una relación de 0.4, la profundidad de penetración de la carbonatación es solamente la mitad de la que ocurre cuando ésta es de 0.6. Una profundidad típica de carbonatación para una relación a/c de 0.5, después de una exposición normal durante 10 años, esta entre 5 y 10mm.

El contenido de cemento. Para una dosificación de 500 kg/m3, la profundidad de carbonatación es la mitad que para 300 kg/m3. Para una dosificación de 180 kg/m3 la carbonatación será casi el doble que para 300 kg/m3.

El tipo de cemento. Un cemento férrico, sulforresistente, con un contenido de C3A menor al 5%, da una profundidad de carbonatación superior a un 50% sobre

5.9.4 LA CORROSIÓN DEL ACERO Y OTROS MATERIALES DENTRO DEL CONCRETO

El medio alcalino que el concreto posee, no deberá permitir la corrosión de los aceros de refuerzo, pero la corrosión ocurre en la práctica y ésta se puede producir debido a:

• La falta de homogeneidad en la calidad química de los aceros de refuerzo. • Un concreto heterogéneo. • Participación de un medio agresivo externo.

En forma general, la corrosión se explica como un fenómeno electroquímico y para que esto ocurra se requiere la acción simultánea de disoluciones de sales y de oxigeno. Si falta alguno de los dos, no ocurre la corrosión.

En un ambiente totalmente seco o bajo agua no se presenta el fenómeno electroquímico de corrosión de los aceros en el concreto por falta de uno de los dos componentes necesarios para ello, el agua ó el oxigeno.

Existen varias razones para que un concreto no ofrezca la protección esperada, estas pueden ser por:

• Agrietamiento. A través de las grietas que van desde la superficie al interior del concreto, penetra la humedad y el aire y por ello se Incrementa la aptitud a la corrosión. Cuando las grietas son estrechas y en sentido normal a la dirección del acero embebido, la corrosión que se presenta no es seria y sólo se agravará si el ambiente en que se encuentra el elemento es agresivo. Si el concreto que recubre el acero es insuficiente, aunque no haya agrietamiento, si las

A. Salazar 155


condiciones de exposición al medio ambiente son severas, se presentará irremediablemente la corrosión.

• Carbonatación. Este fenómeno ha sido explicado anteriormente en 5.9.3

• Otras causas de deterioro del concreto. Cuando el concreto sufre deterioros por efectos de: abrasión o erosión, fisuramiento a causa de ciclos de secado-mojado, hielo - deshielo, etc.; pierde su propiedad de proteger a los materiales embebidos dentro de él y por ende estos se corroerán.

• CAUSAS DE LA CORROSIÓN

Fugas de corriente eléctrica. Esto es el paso de corriente eléctrica a través del concreto o el acero de refuerzo generando una corrosión acelerada. Estos pasos de corriente se deben a fugas del sistema eléctrico o a malas conexiones a tierra por no disponer de un medio positivo o permanente para conectar los sistemas eléctricos a tierra.

Corrosión dentro del concreto. Dentro del concreto armado se generan flujos de corriente eléctrica al establecerse diferencias de potencial eléctrico en diversos puntos. Esto ocurre por:

ο La presencia de diferentes contenidos de humedad y de concentración de oxígeno

ο La presencia de medios electrolitos, tales como el cloruro de calcio o sodio

ο Por contacto entre metales distintos.

Así se forma una celdilla de corrosión conformada por un ánodo, en donde se presenta la corrosión y un cátodo que no se corroe, La distancia entre el ánodo y el cátodo puede variar entre 6 a 10 mm. Es necesaria la presencia de un electrolito para poder conducir la corriente eléctrica a través de un flujo de electrones, pero cualquier concreto con cierto grado de humedad posee suficiente cantidad de estos electrolitos para generar corrosión. A mayor humedad de un concreto, más será su conductividad eléctrica.

Todo concreto expuesto al mojado por: soluciones salinas como la brisa marina, al agua con alto contenido en sulfatos o cuando se emplean substancias que contienen algunos de los materiales mencionados anteriormente, correrá un gran riesgo de corroerse.

En el caso de las escorias gruesas o finas del carbón, como casi siempre contienen sales solubles, su empleo en concreto armado dependerá de la cantidad de sales que contengan. La adición de ceniza volante al cemento ó al concreto, deberá controlarse en función del contenido de sales solubles.

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El oxígeno es el otro componente que incita a la corrosión, por ello los concretos deberán ser lo más impermeables posibles. En función del grado de exposición que vaya a soportar el concreto, se emplean aditivos impermeabilizantes o densificadores, así se impide el acceso del oxigeno y se reduce o evita el fenómeno corrosivo.

• CARACTERÍSTICAS DE LA CORROSIÓN Y RECOMENDACIONES PARA PREVENIRLA

La corrosión de los aceros dentro del concreto se manifiesta en primera instancia por la presencia de manchas rojizas o grises obscuras causadas por el oxido y que aparecen en los poros o agrietamientos superficiales del concreto, Luego se presenta una fisura grande paralela a los elementos de refuerzo acompañada de una pérdida de adherencia entre el acero y el concreto.

Pueden corroerse todos los materiales que se ahogan en el concreto, sean metálicos o no. Este fenómeno se extiende, bajo condiciones especiales, para:

El Aluminio El Plomo El Cobre y sus aleaciones El Zinc La Plata El estaño Los aceros niquel - cromo ó aceros inoxidables de la serie 300 La madera Algunos plásticos

Se recomienda para evitar o reducir la corrosión, el control de los siguientes aspectos:

a. Elaborar concretos de baja permeabilidad

b. Realizar una buena dosificación de mezclas con una a/c baja.

c. Utilizar el cemento apropiado

d. Desarrollar buenas practicas constructivas, tales como:

Asentamientos bajos Reducir la segregación Compactación óptima.

e. Buen curado

A. Salazar 157


f. Controlar el recubrimiento de los aceros. A la orilla del mar o en ambientes agresivos, se recomienda utilizar un mínimo de 7.5 cm de recubrimiento y en algunos casos especiales hasta 10 cm

g. Drenar el agua para evitar encharcamientos

h. Limitar el uso de cloruros en las mezclas, ya sea por que se emplean aditivos acelerantes de fraguado y endurecimiento o por que lo aportan las aguas marinas o agregados contaminados con mar.

El Comité 222 del ACI, sugiere los siguientes limites para el ión cloruro:

1. En concreto pretensado, hasta el 0.06 %

2. En concreto convencional reforzado trabajando en un ambiente húmedo y expuesto a la acción de cloruros, hasta el 0.10 %

3. En concreto convencional reforzado trabajando en un ambiente húmedo pero no expuesto a la acción de cloruros, hasta 0.15 %

4. En construcciones y edificaciones sobre nivel del terreno en las que el concreto permanecerá seco, no hay limite.

5.10 PATOLOGIAS DEBIDAS A LOS MATERIALES

Se abordará un análisis sobre la importancia de evaluar las acciones agresivas probables que inciden en la obra de concreto, en función de las calidades de los materiales constituyentes de la misma. Aunque estos temas han sido tratados en los primeros capítulos de esta obra, hay en estos apartes algunas particularidades no mencionadas anteriormente.

En nuestro medio, una significativa parte de los defectos que se presentan en las obras son ocasionados por la inadecuada utilización de los materiales, que no son seleccionados conscientemente con objeto de conseguir el fin propuesto o de soportar el ambiente de exposición.

El concreto es un material heterogéneo - conglomerado pétreo artificial - constituido por:

•

•

•

Los componentes activos: el agua y el cemento, responsables del desarrollo de las propiedades mecánicas, de la estabilidad volumétrica y aún de la estabilidad química;

Los agregados gruesos y finos - generalmente inertes - que conforman el esqueleto del concreto y ocupan alrededor del 75% de su volumen;

Los aditivos y adiciones que le confieren propiedades definidas a la mezcla y cuya dosificación depende entre otras, de la calidad y la cantidad del conglomerante;

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•

•

•

•

•

•

•

•

El acero como refuerzo continuo, que es la fibra o nervio que necesita el concreto para ser un material estructural completo. En los últimos años se ha rescatado profusamente la utilización de las fibras discontinuas metálicas, plásticas, de origen vegetal, que le confieren al concreto mejoras en algunas de sus propiedades mecánicas como la resistencia al impacto y a su vez, ha permitido un auge también en la industria de la prefabricación.

5.10.1 LOS CEMENTOS ( ),( ) 41 42

Cuando se piensa en construir una obra, casi nunca se acostumbra a analizar las circunstancias ambientales y las características de los materiales disponibles, en especial el cemento, para definir la forma o cuidados de su uso y sí su calidad y la cantidad a emplear, no alterarán el resultado final buscado, la durabilidad. Antes de iniciar toda obra, hay que tomar en cuenta:

Clima, medio ambiente

Calidad de agregados

Calidad de las aguas de mezcla y curado

Formas de dosificación, mezcla, transporte, colocación y curado del concreto.

Tal que se garantice la DURABILIDAD de la obra, decidiendo sobre:

La calidad o el tipo de cemento requerido

La cantidad de cemento a emplear

Los cuidados del concreto en función de la calidad del cemento y de las características de los otros materiales a emplear, así como del medio ambiente de la región.

El Cemento Portland es un conglomerante hidráulico que corresponde a un compuesto químico complejo, capaz de reaccionar con agua para producir otros compuestos químicos que generan un efecto: pegante - resistente - estable, de no mediar la presencia de sustancias aportadas comúnmente por el medio ambiente que alteran paulatinamente su comportamiento positivo. Como los demás conglomerantes hidráulicos, deben sus propiedades a su composición química y al grado de finura. De ahí la importancia de que éstas dos características permanezcan estables, para así conseguir siempre del cemento, un comportamiento similar en cualquier lugar y tiempo en que sea utilizado.

Cuando el cemento reacciona con el agua y se desarrollan las reacciones de hidratación, aparecen una serie de componentes de cuya estabilidad depende en

41 SALAZAR J, A. "Aspectos que el ingeniero debe conocer acerca del cemento para realizar una obra de concreto". Oficina de Publicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali 1992.

42 GASPAR TEBAR, D. "Patología del hormigón, Durabilidad (corrosión)", Seminario S.3 CEMCO 85, Madrid 1985.

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buena medida la del concreto que conforman. El concreto puede experimentar perturbaciones o modificaciones por efecto de los ataques químicos de agentes agresivos externos que actúan sobre la pasta de cemento hidratado o de agentes internos que también actúan sobre ésta.

El comportamiento del cemento hidratado frente a los agentes agresivos depende:

•

•

•

•

•

De las características de los compuestos hidratados del cemento.

De las características de los agentes agresivos. (clase, cantidad, etc.)

De las características del concreto (edad, permeabilidad, etc.)

De las condiciones ambientales (temperatura, humedad relativa, viento, terrenos cohesivos, terrenos permeables, etc.)

De las condiciones en que tiene lugar la interacción entre el agente agresivo y el cemento hidratado. Ejemplo: la estructura se encuentre total o parcialmente sumergida en el medio agresivo, el agente agresivo se encuentre en reposo, etc.

La doctora M. Regourd presentó en el seminario "Alteration et Durabilité des Bétons", celebrado en Francia en noviembre de 1981, una lista de los compuestos químicos agresivos más frecuentes del concreto. Ver tabla Nº 50.

En la figura Nº 47, se presentan esquemáticamente los componentes más sobresalientes del cemento y las reacciones de hidratación a que dan lugar. Se observa al final los productos de hidratación siguientes: la TOBERMORITA responsable del desarrollo de las resistencias mecánicas; la PORTLANDITA responsable de la alta basicidad del cemento hidratado y de la protección de las armaduras frente a la corrosión; los ALUMINATOS DE CALCIO HIDRATADOS que contribuyen en algo al desarrollo de resistencias mecánicas en las primeras 24 horas, reaccionan con el yeso para formar la ETTRINGITA y son además los responsables del fraguado; los FERRITOS DE CALCIO HIDRATADOS de gran estabilidad química. En general las cantidades de C3S + C2S en un cemento deben ser del orden del 80 % y las cantidades de C3A + C4AF son complementarias y deben estar alrededor del 20%.

En la tabla Nº.51 se esquematizan las acciones de los agentes agresivos en disoluciones acuosas, sobre los compuestos hidratados del cemento Portland. Obsérvese como se ven afectadas: la tobermorita, la portlandita y los aluminatos de calcio. De todas maneras los más sensibles por sus características químicas son: la portlandita (hidróxido de calcio) y los aluminatos de calcio. Estas sustancias se pueden eliminar en gran parte, utilizando adiciones activas capaces de reaccionar con la portlandita o produciendo clinkeres bajos en contenidos de aluminatos como los empleados para producir los cementos Tipo II y V, según Norma ASTM o ICONTEC.

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TABLA Nº 50: COMPUESTOS AGRESIVOS: ATAQUE QUIMICO AL HORMIGÓN

1. Agua dulce; agua con CO2 agresivo; agua de mar; aguas industriales; aguas residuales, etc.

Minerales Orgánicos A. Bromico A. Acético A. Carbónico A. Fórmico A. Clorhídrido A. Húmico A. Crómico A. Láctico A. Fluorhídrico A. Fenol A. Sulfhídrico A. Tánico A. Nítrico B. Butírico A. Fosfórico A. Urico A. Sulfúrico Microorganismos

2. Ácidos

A. Sulfuroso Hidróxidos de sódio, de potasio Urea 3. Bases: Aminas - Cloruros de cálcio, de sódio, de amónio, de magnésio. - Sulfatos de cálcio, de pótasio, de sódio, de amónio, de magnésio. - Nitratos y nitritos de sódio, de pótasio, de amónio - Sulfuros de hierro. - Acetatos de sódio.

4. Sales

- Sales de deshielo, Esteres – estearatos - jabones. 5. Alcoholes 6. Disoluciones de Azúcar 7. Aceites vegetales y aceites animales 8. Bacterias, algas, mariscos, micro-organismos

A. Salazar 161


CEMENTO PORTLAND

CLINKER YESO

Silicatos deCalcio

C3S = 45 a 70 %C2S = 15 a 35 %

Aluminato deCalcio

C3A = 0 a 15 %

FerritoAluminato

TetracálcicoC4AF = 3 a 15 %

Cal Libre< 1.5 %

+

AGUA

REACCIONES DE HIDRATACIÓN

Silicatos deCálcio

Hidratados3CaO.2SiO2.3H2O


Ca(OH)2

Aluminato deCálcio

Hidratado3CaO.Al2O3.6H2O

Aluminatos yFerritos de Cálcio

Hidratados3CaO.Al2O3.6H2O

+CaO.Fe 2O3.nH2O


Ca(OH)2

3CaO.Al2O3.6H2O 3CaSO4.2H2O

TOBERMORITA PORTLANDITA Alum inatos deCálcio Hidratados

Fe rritos de CálcioHidratados

ETTRINGITA3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O

Parte

FIGURA Nº 47: COMPONENTES MINERALÓGICOS DEL CEMENTO Y SUS REACCIONES DE HIDRATACIÓN

A. Salazar 162


TABLA Nº 51: DURABILIDAD DEL HORMIGON. Acción de los agentes agresivos en disoluciones acuosas sobre los compuestos hidratados del cemento portland.

Ataque - disolución en agua Ácidos

Formación de compuestos poco solubles en agua

TOBERMORITA (Silicato de

Calcio Hidratado)

Dióxido de carbono Carbonatación

Soluble en agua

ACIDOS

Aguas con CO2 Agresivo Neutralización grupos OH(I) (disolución en agua)

Sales amónicas

PORTLANDITA (Ca(OH)2 )

Formación de compuestos más estables que Ca(OH)2. Por ejemplo: (Mg(OH)2, Brucita)

Yeso + Aluminato = Ettringita Con iones SULFATO (formación de compuestos expansivos) Sulfato + Ca(OH)2 + Aluminato

= Etringita

CaCl2 + Aluminato = Sal de Friedel

CEMENTO PORTLAND

+

AGUA

ALUMINATOS DE CALCIO

HIDRATADOS Con iones CLORUROS (formación de compuestos expansivos) Cloruros + Ca(OH)2 +

Aluminatos = Sal de Friedel

La cantidad de agua empleada en el concreto o la relación a/c influye en la porosidad de la pasta de cemento y en la del concreto en donde las fases cemento hidratado - agregados juegan un papel importante. La permeabilidad es un factor preponderante para la durabilidad del concreto, pues de ella depende el grado de penetración de los fluidos y por ende su resistencia química. En la tabla Nº 52 se presenta la influencia de la edad en la permeabilidad, la distribución de los poros y el grado de hidratación del cemento.

A. Salazar 163


TABLA Nº 52: PASTA DE CEMENTO. INFLUENCIA DE LA EDAD EN LA PERMEABILIDAD. RELACION a/c = 0.51(43)

EDAD (días) Coeficiente de Permeabilidad (m/seg) Observaciones

Pasta Fresca 10-3 Independiente de la relación a/c

1 10-8

3 10-8

4 10-10

7 10-11

14 10-12

28 10-13

Poros capilares interconectados

100 10-16

240 (máxima hidratación) 10-18 Poros capilares discontinuos

5.10.2 AGREGADOS ( ), ( )44 45

Los agregados deben ocupar la mayoría del volúmen del concreto, entre el 60 y el 80%, por lo tanto sus características influirán en las propiedades del concreto fresco y endurecido. En términos generales el concreto tendrá una mayor estabilidad de volumen y por ende una mayor durabilidad cuando se reduce el contenido de cemento por una mayor participación de los agregados. Los factores más importantes que afectan las contracciones hidráulicas del concreto son:

•

•

La relación a/c y el contenido de agregados. Ver figura Nº 4

La naturaleza, la distribución de tamaño de los agregados y la proporción de finos. A mayor contenido de finos, mayor superficie específica, mayor requerimiento de agua y por ende mayor contracción.

La calidad de los agregados tiene fundamental importancia. Por ejemplo, cuando éste es débil o quebradizo o laminado, producirá un concreto de baja resistencia mecánica o poca durabilidad. Los agregados deben satisfacer ciertos requisitos como son:

43 Mindess,S. y Young,JF.,"CONCRETE", capítulo 20, pag.256, Prentice-Hall Inc, New Jersey, 1981.

44 Salazar, A., "Los agregados para concreto", Asociación de Ingenieros del Valle, Cali 1991.

45 Salazar, A., “Síntesis de la Tecnología del Hormigón. 2º Parte”, Oficina de Publicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali, Mayo, 1985

A. Salazar 164


Figura Nº 48: Influencia de la relación a/c y el contenido de agregados sobre la contracción del concreto

0

400

800

1,200

1,600

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Relación a/c

Con

trac

ción

(10-6

)

50%60%70%80%

.

•

•

•

Poseer partículas limpias, duras, resistentes.

Estar libres de sustancias químicas, recubrimientos de polvo u otros materiales que afectan la hidratación del cemento y la adherencia de la pasta.

No se emplearán aquellos materiales que contengan pizarras laminares o esquistos, partículas porosas y delesnables.

Los agregados en general no se pueden considerar como materiales inertes, pues sus propiedades físicas, térmicas y algunas veces también las químicas, influyen notablemente sobre el comportamiento del concreto.

En la mayoría de los países de América Latina, las condiciones tecnológicas de trabajo en la fabricación del concreto, generan una demanda excesiva de cemento, lo cual trae consecuencias negativas tanto en la economía de la producción como en las propiedades mecánicas y de durabilidad de los hormigones.

Este exceso de consumo de cemento se debe en gran parte a la forma, la textura, las películas superficiales y la distribución de tamaño de los agregados empleados. Teniendo en este aspecto mucha responsabilidad la granulometría inadecuada obtenida en la mezcla de los agregados y las formas irregulares de estos, donde predominan las partículas planas y alargadas.

El profesor Vitervo O’Reilly, plantea en su trabajo ( )46 , que desde el punto de vista de la composición óptima de los agregados no se le presta toda la atención a la

46 O’Reilly, Díaz, V., “Método para el diseño de Hormigón de alto comportamiento”, Editorial Universidad del Valle, 1º Edición, Santiago de Cali, Noviembre de 1997.

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influencia de la forma de la partícula y se parte sólo de su composición granulométrica. Él demuestra en todos los casos, que agregados con granulometrías inadecuadas o con contenidos del 16 al 31% de partículas irregulares, lo que caracteriza la forma de los agregados, tienen una influencia notable en el porcentaje de espacios vacíos que se desea obtener, manteniendo la consistencia y la energía de compactación constante. También demostró la influencia de ambos factores en la resistencia a compresión y eventualmente en la dosis de cemento si se considera la resistencia constante. Este trabajo permitió plantear una nueva forma de combinar los agregados para elaborar concretos, lo que en la práctica representa un significativo ahorro de cemento y un mejoramiento de sus propiedades mecánicas y de durabilidad. Algunas de las conclusiones del trabajo del profesor O’Reilly, son:

•

•

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

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

A. Salazar 166


CAPITULO 6. CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO

6.1 INTRODUCCION ( )47

La preocupación por la calidad es una característica de las sociedades avanzadas, una vez superadas las etapas de subdesarrollo en las que prima la preocupación por la cantidad. La calidad como arma empresarial está recibiendo más atención cada día en todos los ámbitos de la industria. En lo que respecta a la construcción, es opinión generalizada en todos los países que su calidad está, en términos medios, por debajo de lo que correspondería a una industria de su importancia y de lo que desearían los usuarios. Hay que admitir por ello, que el control de calidad que actualmente se ejerce en construcción es insatisfactorio.

Tradicionalmente el control de calidad en construcción se ha venido identificando con la vigilancia en obra y la realización de algunos ensayos. Este simplismo contrasta con el concepto más elaborado de control de calidad que se utiliza en otras industrias, el cual abarca todas las actividades del proceso (desde la concepción y diseño del producto hasta su comercialización y servicio post-venta) y hace uso de técnicas estadísticas más o menos sofisticadas, pero de sencilla aplicación.

El concreto es un material que puede elaborarse en obra o fabricarse industrialmente. En ambos casos, su control comprende tres fases: control de componentes, control de la masa fresca y control del material endurecido. En su aspecto operativo estos controles aparecen descritos en las normas técnicas Colombianas del ICONTEC. Los puntos principales en los que se debe centrar la atención sobre el control de calidad del concreto son:

• Que la calidad del concreto no debe confundirse con su resistencia y menos todavía, con las resistencias de unas probetas conservadas en laboratorio.

• Que a diferencia de lo que sucede con otros materiales, en la calidad del concreto no influye un solo sujeto sino dos, el que lo confecciona y el que lo pone en obra. Deslindar responsabilidades en casos de conflicto puede ser difícil.

• Que la norma generalmente define tres niveles de control (ligados a los coeficientes de seguridad adoptados por el proyectista), cuyo conocimiento en profundidad es necesario si se quiere evitar discusiones en obra.

47 García Meseguer, A., "Control y Garantía de Calidad en la Construcción", Curso Internacional Control y Garantía de Calidad en la Construcción, Universidad del Valle, Edición Limitada, Santiago de Cali, Septiembre, 1989

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• Que bajo el nombre genérico "resistencia característica" se esconden tres significados distintos: real, especificada y estimada, cuya confusión es frecuente.

• Que el incumplimiento de los criterios de aceptación indicados en la norma no debe ser identificado con la demolición de la parte de obra correspondiente.

• Que en los casos de no cumplimiento, las acciones a tomar son múltiples y pueden desembocar en cualquiera de las siguientes decisiones: aceptación sin o con penalización, refuerzo de la estructura o demolición.

6.2 ¿QUÉ ES UN SISTEMA DE CALIDAD?

Los nuevos métodos y procedimientos del calculo estructural han hecho posible la realización de obras cada vez más audaces, más funcionales, de mayores luces y más bellas, manifestándose a la vez un notable avance en la tecnología de construcción.

Aun así, estas innovaciones no tendrán todo el impacto buscado, si no se desarrollan y aplican los conocimientos básicos y necesarios para obtener materiales simples y compuestos que permitan satisfacer realmente, las exigencias definidas para un proyecto por el calculista o la ingeniería del proyecto. En general, tener un buen concreto en una estructura es el fruto de:

• Una óptima selección de agregados, cementos, aguas y aditivos

• Un adecuado sistema de diseño de mezcla y de dosificación

• Un apropiado proceso de mezclado

• Un buen sistema de transporte y colocación

• Un adecuado curado de acuerdo al clima y el ambiente

Todo lo anterior se consigue desarrollando y aplicando una estructura moderna de control de calidad.

La filosofía del control de calidad se desarrolla alrededor del control exhaustivo de todos los pasos previos que conducen a la obtención de un producto final, esto es en el proceso de producción, e igualmente se refiere al control de la calidad de las materias primas que intervienen en el proceso productivo. De esta forma siempre se estará manejando un rango aceptable de calidad deseada.

Cuando el control de la calidad del concreto se realiza únicamente sobre el producto final, esto sólo permite reconocer si se cumplió o no con una especificación, pero no genera una garantía de la calidad del producto fabricado en todo momento.

A. Salazar 168


En el concreto siempre se formulará la pregunta: ¿qué tan pronto es lo suficientemente pronto?. En otras palabras, ¿cuándo debe conocerse la calidad del concreto?. El Dr. Byrant Mather ( ) 48 después de considerar diversos métodos para estimar o conocer la resistencia mecánica del concreto a distintas edades, incluyendo al tratamiento térmico para evaluar la resistencia precozmente, concluye que el tiempo que realmente es suficientemente pronto para conocer la calidad del concreto es antes de la descarga de este de la mezcladora a la formaleta. Sugiere entonces que solo el control de las fases previas a la producción, involucrando en ello el control de calidad de las materias primas que intervienen en la dosificación del concreto, dará una respuesta satisfactoria a dicho interrogante.

Sería importante que en Colombia este criterio de calidad fuera aplicado por la mayoría de los técnicos del concreto, con fin de entregar una garantía real sobre las propiedades y características de este material, como son: manejabilidad, apropiada resistencia mecánica, durabilidad y economía.

Para plantear el control de calidad del concreto, hay necesidad de analizar los siguientes aspectos:

• Técnicas de muestreo probabilistico • Manejo eficiente y adecuado de los materiales • Curado adecuado • Interpretación de los resultados de ensayo y evaluación estadística, • La variabilidad de la calidad del concreto, se puede deber a: • Errores de dosificación • Variación en el proceso de mezclado y transporte • Variación en la calidad de los componentes • Variación en el curado,

Pueden existir dos fases de control del concreto producido:

• Controlar la calidad intrínseca de una mezcla producida independientemente del manejo posterior que se le dé a la masa y a las condiciones de endurecimiento del concreto en la obra.

• Considerar la calidad del concreto en la obra tomando en cuenta todos los aspectos mencionados en su proceso de producción, transporte colocación y curado.

En el primer caso, el control puede ejercerse muy precisamente y siguiendo procedimientos bien definidos. En el segundo caso, no es fácil definir las

48 Mather B., “ ¿How Soon is Soon Enough?" Revisited, New Concrete Technology, Robert E. Philleo Symposium, ACI SP-141, 1993.

A. Salazar 169


condiciones en que se deben ejecutar y como se deben ensayar. Esto permite definir 2 formas de recolectar las muestras de concreto:

• A la salida de la mezcladora, sin importar como se transporte se coloca o compacta y se cura, donde las muestras son tratadas bajo condiciones especificadas por normas.

• Tomar la muestra en el sitio del vaciado confinándolas y conservándolas en condiciones lo más parecidas posibles a las que tiene la estructura.

Al primer grupo se le puede denominar "de control" y al segundo "de información”.

No hay que olvidar que el papel básico del control de calidad es preventivo, por ello debe abarcar, desde la inspección visual de las distintas materias primas a su arribo a la obra hasta establecer un sistema que garantice la precisión en las dosificaciones, sean por peso o por volumen. Es necesario vigilar el amasado, el transporte la colocación en obra y eliminar las causas posibles de segregación y exudación. De igual manera hay que cuidar el curado correcto del concreto. Al final, debe controlarse la calidad resistente del concreto realizando un buen muestreo y toma de cilindros, que permitan comprobar que se han conseguido las resistencias solicitadas, cosa que se logrará si se han satisfecho los pasos anteriores.

Muchos millones de pesos se mueven diariamente en varios segmentos de la industria del concreto, con base en los resultados reportados por una muestra.

En muchos lugares la muestra es recolectada en forma indistinta por personas que ignoran: los principios básicos de muestreo, la información que proveerá la muestra, la prueba o pruebas que se realizarán sobre ella, etc. Sin embargo, la decisión final se basará o se derivará del resultado conseguido. Los anteriores puntos, son factores importantes que deberían tomarse en cuenta para realizar un proceso de muestreo.

Existen industrias que presentan situaciones similares, que han evolucionado desarrollando métodos y procedimientos confiables y eficientes. El comité E11 de las normas ASTM ha venido desarrollando los principios básicos y los procedimientos para establecer la forma de tomar una muestra representativa de la masa de concreto a ensayar. Algunas de las normas que definen estos procedimientos se encuentran referidas en la Tabla Nº 53.

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TABLA Nº 53: NORMAS DE MUESTREO PARA CONCRETO Y SUS MATERIALES CONSTITUYENTES. ASTM Y NTC (NORMA TÉCNICA COLOMBIANA)

Standard Norma

Practica para el muestreo del concreto fresco C 172 (NTC 454-1991)

Método para muestreo y ensayos del cemento hidráulico C 183

Método para reducir las muestras de campo de agregados, para ensayos de tamaño

C 702

Practica para examinar y hacer un muestreo de concreto endurecido en la construcción

C 823

Practica para el muestreo de Agregados D 75

Practica para el muestreo aleatorio de materiales de construcción

D 3665

Practica para el muestreo probabilístico de materiales E 105

Practica para encontrar el tamaño de la muestra que permita estimar la calidad promedia de un lote o proceso.

E 122

Practica para aceptar la evidencia basada en los resultados de un muestreo probabilístico.

E 141

6.3 ¿QUÉ ES MUESTREO?

LA MUESTRA

Una muestra es una pequeña porción de un gran universo de un material (tal como un lote, una corriente continua de producción, un batch, una volquetada, etc.), del cual se desea conocer una información específica. Las características medidas en una muestra se estima representan las propiedades del gran universo del cual fue tomada. Una serie de tales muestras, si se han tomado apropiadamente, pueden proveer un camino de las variaciones de las propiedades del universo. La información obtenida de muchas muestras del universo se constituye en una población estadística.

EL MUESTREO

Un muestreo es el proceso de extraer muestras de un gran universo. Cuando el universo es perfectamente homogéneo, el muestreo se constituye en el simple acto físico de tomar una muestra del todo, del cual se desea obtener una determinada información. En este caso, cualquier muestra lo representará.

Generalmente en el mundo real y en particular en el campo del concreto, rara vez se presenta un universo homogéneo. La variabilidad de las propiedades de los materiales o de los productos elaborados es una constante. Así entonces, hacer un muestreo es mucho más que el acto físico de recolectar una muestra del todo.

A. Salazar 171


Lo primero es establecer un plan de muestreo que refleje la variabilidad de las características del universo. Después, las muestras individuales deberán tomarse de acuerdo con un plan de trabajo y deben recolectarse de manera que cada muestra sea ciertamente representativa de la unidad de la cual procede. Lo anterior exige disponer de un conocimiento apropiado y establecer un exigente control sobre el trabajo de recolección de las muestras. Este plan se estipula con base en un muestreo probabilístico para el cual se requiere del conocimiento de la estadística.

La estadística se ha definido como “ la ciencia de tomar decisiones en presencia de la incertidumbre”. En este caso del concreto, realizar un muestreo representativo significa enfrentarse constantemente con la incertidumbre.

Obtener una muestra de una población, de manera que puedan extraerse conclusiones válidas de ella, no es tan sencillo como parece. Para que la muestra sea realmente representativa, esta tiene que ser extraída de la población al azar. Un muestreo es al azar o aleatorio, si cada uno de los miembros de la población tiene igual posibilidades de ser elegido, o sea que la probabilidad de la selección de cada uno sea igual. Para ello el método elegido para el muestreo tiene que asegurar la independencia y las características de probabilidad constante de la muestra. A tal efecto las tablas de números aleatorios se construyen de manera que arrojen muestras que posean estas propiedades deseadas. La razón principal del muestreo al azar es que conduce fácilmente a los modelos probabilísticos de distribución. Existen muchísimos ejemplos de fracasos ocurridos con el empleo de los métodos probabilísticos, debido a que se han extraído conclusiones basadas en muestras que no han sido tomadas al azar.

Como se observa esto es todo un amplio campo para el cual se requeriría tomar un curso sobre estadística aplicada al diseño de experimentos en la tecnología del concreto.

En Colombia, toda muestra deberá conseguirse y manejarse como lo plantea la norma NTC 454: "Hormigón fresco. Toma de muestras". En ella se define que las muestras para ensayo deberán tener un volumen mínimo de 30 Its. El Código del ACI 318, especifica que para cada clase de concreto preparado, deberá tomarse una muestra por cada 115 m3 de concreto pero no menos de una muestra por cada día de trabajo.

Es posible que se requieran muestras adicionales cuando ocurren cambios bruscos de temperatura o humedad o cuando ocurren cambios de materiales o de sus fuentes. En algunas normas se pide tomar muestras adicionales para simular todas las condiciones de la obra.

Toda muestra deberá emplearse dentro de los primeros 15 minutos de la toma y habrá que protegerla del sol y del viento.

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6.4 ESTADÍSTICA APLICADA AL CONTROL DE LA CALIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE CONCRETO.

La base de la seguridad estructural de las obras de concreto masivo, armada y pretensado, está dada par la determinación correcta de la resistencia característica del concreto, pues los proyectistas basan sus criterios de diseño en métodos probabilisticos, que requieren de un análisis estadístico previo sobre el comportamiento del concreto en las estructuras. ( )49

La resistencia característica a la compresión del concreto, se define en general como aquel valor de la resistencia la compresión por debajo del cual es esperable que se obtenga no más de un determinado porcentaje de la población de todas las posibles mediciones de resistencia del concreto especificado. Son contados los países que no hayan establecido ya un porcentaje máximo del 10% para las estructuras calculadas por estados limites y algunos países más desarrollados han adoptado un valor máximo del 5%

El concreto es un material heterogéneo, sujeto a la influencia de numerosas variables, como por ejemplo: las características y variabilidad de cada uno de sus componentes (el cemento, los agregados, el agua, las adiciones y los aditivos químicos), las tecnologías de dosificación, mezclado, transporte, vertido y curado y finalmente, las variaciones propias de la fabricación y tratamiento de las probetas y de los métodos de ensayo. En la Tabla Nº 54 se indican claramente las fuentes principales de variación de la resistencia de los concretos.

De esta forma, al producirse un concreto bajo semejantes condiciones de empleo de materiales, tecnología y métodos de aseguramiento de la calidad, para una misma dosificación y una misma edad, la serie de los resultados de la resistencia a compresión ofrece unos valores de ensayo agrupados alrededor de un valor central, que siguen una distribución normal de frecuencias.

ESTUDIO ESTADÍSTICO SOBRE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO

El calculista de una obra, efectúa sus operaciones asumiendo una resistencia mínima del concreto. En ese valor se ha incluido un factor de seguridad a partir del esfuerzo máximo esperado. El concreto a producirse en la obra o en el laboratorio está sujeto a variaciones en las resistencias, por lo tanto cuando se diseña una mezcla de concreto se hace para conseguir una resistencia media mayor que la mínima especificada, pues, de conseguirse una resistencia menor a ésta, se reducirá el factor de seguridad de la estructura.

49 Howland J.J, “Elementos de Estadística y diseño de Experimentos en la Tecnología del Hormigón“, Dirección de Ciencia y Técnica, Ministerio de la Construcción, La Habana, 1995

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TABLA Nº 54: FUENTES PRINCIPALES DE VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS CONCRETOS, SEGÚN EL ACI 214

VARIACIONES EN LAS PROPIEDADES DEL CONCRETO

DISCREPANCIAS EN LOS MÉTODOS DE ENSAYOS

Cambios, en la relación a/c Pobre control del agua Variación excesiva de la humedad del

árido Reajustes.

Procedimientos inadecuados de muestreo

Variaciones en los requerimientos de agua Granulumetría del árido, absorción,

forma de las partículas Propiedades del cemento y de los

aditivos Contenido de aire de la mezcla Tiempo de entrega y temperatura de la

mezcla

Variaciones debido a las técnicas de fabricación de las probetas Manipulación y curado de las probetas

hechas recientemente Pobre calidad de los moldes

Variaciones en las características y proporción de los ingredientes Aridos Cemento Puzolanas Aditivos

Cambios en el curado de las probetas Variación de la temperatura Humedad variable Demoras en la entrega de las

probetas al laboratorio

Variación en el transporte, vertido y compactación de la mezcla

Pobres procedimientos de ensayo de las probetas Capping de Las probetas Ensayos a compresión

Variación en la temperatura y curado del concreto

Las variaciones del concreto producido en un instante cualquiera y el que se produce unos minutos más tarde de la misma mezcladora son debidas a muchas causas, algunas de las cuales son de fácil identificación mientras otras son fortuitas no identificables. En general estas variaciones se ven afectadas a través de todo el proceso productivo del concreto que se inicia desde la selección de las materias primas y finaliza en la estructura puesta a funcionar.

La norma NSR 98 en el capítulo C.5 “Calidad del Concreto, Mezclado y Colocación”, presenta varios apartes relativos al tema del concreto en los cuales se trata el tema de la estadística. A continuación se presentan estos.

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CALIDAD DEL CONCRETO, MEZCLADO Y COLOCACIÓN

C.5.0 – NOMENCLATURA

f'c = resistencia nominal del concreto a la comprensión, expresada en MPa. f'cr = resistencia promedio requerida del concreto a la comprensión utilizada como

base para dosificar las mezclas, expresada en MPa. fct = resistencia a la fractura por tracción indirecta del concreto con agregados

ligeros, expresada en MPa. S = desviación estándar, expresada en MPa.

C.5.1 – GENERALIDADES

C.5.1.1 – El concreto debe dosificarse con el fin de obtener una resistencia promedio a la comprensión como lo prescribe C.5.3.2. y al mismo tiempo satisfacer los criterios de durabilidad del capitulo C.4. El concreto debe producirse minimizando la frecuencia de resultados con resistencia por debajo del valor nominal para el concreto f'c, como lo exige C.5.6.2.3.

C.5.1.2 – Los valores exigidos para f'c deben basarse en ensayos sobre cilindros fabricados y probados con lo del establecido en C.5.6.2.

C.5.1.3 – A menos que se especifique lo contrario, el f'c real se debe obtener por medio de ensayos a los 28 días y el valor debe corresponder al promedio de los resultados obtenidos de dos cilindros del mismo concreto y ensayados al mismo día. Si se especifica una edad diferente de 28 días para la determinación de f'c real, esta edad debe estar claramente marcada en los planos y especificaciones.

C.5.1.4 – En aquellos casos en los cuales se requiere el uso de la resistencia a la factura por tracción indirecta del concreto con agregados ligeros, los ensayos de laboratorio se deben realizar de acuerdo con la norma NTC 4045 (ASTM C330) para establecer el valor de fct correspondiente a la resistencia nominal a la comprensión, f'c.

C.5.1.5 – Los ensayos de resistencia a la factura por tracción indirecta no deben utilizarse en el control de calidad como base para aceptar o rechazar el concreto.

C.5.1.6 – Los planos estructurales en cualquier proyecto, deben indicar claramente la resistencia nominal a la comprensión f'c del concreto para cual se diseñó cada parte de la estructura.

C.5.1.7 – Deben consultarse los requisitos adicionales para estructuras de capacidad de disipación de energía especial (DES) dados en el capítulo C.21.

C.5.2 – DOSIFICACIÓN DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO

C.5.2.1 – La dosificación de los componentes del concreto debe hacerse para proporcionar:

A. Salazar 175


(a) Manejabilidad y consistencia adecuada para que el concreto fluya fácilmente dentro de las formaletas y alrededor del esfuerzo, en las condiciones de colocación que se usen, sin segregación ni exudación excesivas.

(b) Resistencia a condiciones especiales de exposición, de conformidad en el capítulo C.4.

(c) Cumplimiento de los requisitos de los ensayos de resistencias indicados en C.5.6.

C.5.2.2 – Cuando se usen diferentes materiales para diversas para diferentes partes de una obra cada combinación debe estudiarse separadamente.

C.5.2.3 –La dosificación de los componentes del concreto, incluida la relación agua– material cementante, debe hacerse con base en los datos obtenidos en experiencias de obras anteriores o utilizando mezclas de prueba; con los materiales que se vayan a usar en la obra (véase C.5.3), o ambos; exceptuando lo permitido en C.5.4 o lo requerido en el capítulo C.4.

C.5.3 – DOSIFICACION BASADA EN EXPERIENCIAS DE OBRAS ANTERIORES O MEZCLAS DE PRUEBA, O AMBAS

C.5.3.1 – DESVIACION ESTANDAR

C.5.3.1.1 – Cuando una instalación productora de concreto disponga de registros de ensayos, debe calcularse su desviación estándar. La desviación estándar se debe calcular utilizando los registros de ensayos que cumplan las siguientes condiciones:

(a) Representen los materiales, procedimientos de control de calidad y condiciones similares esperadas en la obra y las variaciones permitidas en los registros de ensayos de los materiales y sus proporciones no deben ser más restrictivas que las permitidas en la obra.

(b) Representen un concreto producido para una resistencia o resistencias nominales, f'c, que no difieran en más de 7 MPa de la resistencia nominal especificada en la obra.

(c) Consistan de por lo menos 30 ensayos consecutivos, correspondientes cada uno de ellos al promedio de dos cilindros ensayados el mismo día, o de dos grupos de ensayos consecutivos que sumen, en total, al menos 30 ensayos como los define C.5.6.1.4, exceptuando lo indicado en C.5.3.1.2.

TABLA C.5–1: COEFICIENTES DE MODIFICACION PARA LA DESVIACIÓN ESTANDAR CUANDO HAY DISPONIBLES MENOS DE 30 ENSAYOS

Nº ensayos (nota 1) Coeficiente de modificación para la desviación estándar. (nota 2)

< 15 Use tabla C.5-2 15 1.16 20 1.08 25 1.03

30 ó más 1.00

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Nota-1: Se puede interpolar entre el número de ensayos. Nota-2: La desviación estándar modificada debe usarse para determinar la resistencia

promedio requerida f'cr que se utiliza en C.5.3.2.1

C.5.3.1.2 – Cuando la instalación productora de concreto no tenga registros de ensayos previos que cumplan los requisitos de C.5.3.1.1, pero tenga registros que contengan 15 y 29 ensayos consecutivos, la desviación estándar debe ser la desviación estándar debe ser calculada de los dos datos, multiplicada con el coeficiente de modificación dado en la tabla C.5–1. Para poder aplicar este procedimiento se deben cumplir los requisitos (a) y (b) de C.5.3.1.1 y los ensayos deben corresponder a un solo registro de ensayos consecutivos obtenidos en un periodo mayor de 45 días calendario.

C.5.3.2 – RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA

C.5.3.2.1 – La resistencia promedio requerida f'cr en MPa, que se utiliza para dosificar el concreto, debe ser la mayor de las obtenidas con las ecuaciones C.5–1 y C.5–2, utilizando la desviación estándar, S, obtenida según C.5.3.1.1 o C.5.3.1.2:

f'cr = f'c + 1.34S (C.5–1)

f'cr = f'c + 2.33S – 3.5 (Mpa) (C.5–2*)

C.5.3.2.2 – cuando la instalación productora de concretos no tenga no tenga registros de ensayo para calcular la desviación estándar como lo pide C.5.3.1 o C.5.3.1.1, la resistencia promedio requerida, f'cr en MPa, debe determinarse de la tabla C.5–2 y la documentación de la resistencia promedio debe cumplir los requisitos de C.5.3.3.

TABLA C.5– 2: RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA A LA COMPRESION CUANDO NO HAY DATOS QUE PERMITAN DETERMINAR LA DESVIACIÓN ESTANDAR

Resistencia nominal a la compresión f’c (Mpa)

Resistencia promedio requerida a la compresión f’cr (Mpa)

< 21 f’c + 7 21 – 35 f’c + 8.5

> 35 f’c + 10

C.5.3.3 – DOCUMENTACION DE LA RESISTENCIA PROMEDIO – La documentación que debe dejarse para demostrar que la dosificación propuesta producirá una resistencia promedio a la compresión igual o mayor a la requerida en C.5.3.2 puede consistir en uno o en varios ensayos en obras anteriores, o de ensayos de resistencia de mezclas de prueba.

5.3.3.1 – Cuando se utilicen registros de ensayos para demostrar que la dosificación propuesta producirá la resistencia promedio requerida, f'cr (C.5.3.2), los registros

A. Salazar 177


deben ser representativos de materiales y condiciones similares a las que se esperan. Las variaciones permitidas en los materiales, las condiciones y las proporciones dentro de los registros de ensayos no deben haber sido más restrictivas que las permitidas en la obra propuesta. Con el fin de documentar la resistencia promedio esperada, pueden usarse registros de ensayos consistentes en menos de 30 pero no menos de 10 ensayos consecutivos, siempre y cuando hayan sido obtenidas en un período de observación mayor de 45 días. La dosificación requerida del concreto puede obtenerse interpolando entre las resistencias y dosificaciones de 2 o más registros de ensayos que cumplen con los otros requisitos de esta sección.

C.5.3.3.2 – Cuando no se disponga de un registro aceptable de ensayos de obras anteriores, la dosificación del concreto puede establecerse por medio de mezclas de prueba que cumplan las siguientes restricciones:

a. Debe utilizarse la misma combinación de materiales que la utilizada en el trabajo propuesto.

b. Las mezclas de prueba con la dosificación y consistencia requeridas para el trabajo propuesto deben hacerse utilizando por lo menos tres relaciones agua– material cementante o contenidos de cementos diferentes, capaces de producir un rango de resistencias que cubra la resistencia promedio requerida f'cr.

c. Las mezclas de prueba deben diseñarse de tal manera que su asentamiento esté dentro de ± 20 mm del valor especificado, o entre ± 0.5 % del contenido máximo de aire cuando se trata de concreto con aire incorporado.

d. Para cada relación agua–material cementante, o para cada contenido de cemento, deben producirse al menos tres cilindros de prueba para cada edad de ensayo. Esos cilindros deben fabricarse y curarse de acuerdo con la norma NTC 1377 (ASTM C192). Los cilindros deben ensayarse a los 28 días o a la edad designada para la determinación de f'c.

e. Con los resultados de los ensayos de los cilindros debe dibujarse un gráfico que muestre la correspondencia entre la relación agua– material cementante o el contenido de cemento y la resistencia a la compresión a la edad designada.

f. La máxima relación agua – material cementante o el mínimo contenido de cemento que puede usarse en el trabajo propuesto debe ser aquella que se muestre en el gráfico que corresponde a la resistencia promedio requerida por C.5.3.2, a menos que se requiera un valor menor de la relación agua – material cementante de conformidad con el capítulo C.4.

C.5.4 – DOSIFICACIÓN SIN EXPERIENCIA EN OBRAS ANTERIORES O MEZCLAS DE PRUEBA

C.5.4.1– Si no se dispone de datos que exige C.5.3, la dosificación del concreto puede determinarse usando otra información o experiencias, siempre y cuando sea aprobado por el Supervisor Técnico. La resistencia promedio requerida para el concreto, f'cr, para concreto producido con materiales similares a los que se propone utilizar, debe ser al menos 8.5 MPa mayor que la resistencia nominal

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especificada, f'c. Esta alternativa no debe utilizarse para dosificar concretos con una resistencia mayor de 28 MPa.

C.5.4.2 – El concreto dosificado utilizando la presente sección C.5.4 debe cumplir los requisitos de durabilidad del capítulo C.4 y los criterios de resistencia a la compresión de C.5.6.

C.5.5 – REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA PROMEDIO

C.5.5.1 – En la medida en que se tengan datos disponibles durante la construcción, es posible disminuir la cantidad por la cual f'cr debe exceder a f'c, siempre y cuando se cumplan los siguientes requisitos:

a. Se dispone de más de 30 ensayos y el promedio de los resultados excede el requerido por C.5.3.2.1, usando la desviación estándar calculada de acuerdo con C.5.3.1.1, o

b. Se disponga de 15 a 29 ensayos y el promedio de resultados de los ensayos excede el requerido por C.5.3.2.1, usando la desviación estándar calculada de acuerdo con C.5.3.1.2, y

c. Se cumplen los requisitos para condiciones especiales de exposición del capítulo C.4.

C.5.6 – EVALUACION Y ACEPTACIÓN DEL CONCRETO

C.5.6.1– FRECUENCIA DE LOS ENSAYOS

C.5.6.1.1 – Las muestras para las pruebas de resistencia correspondientes a cada clase de concreto deben estar conformadas cuando menos por una pareja de cilindros tomados no menos de una vez por día, ni menos de una vez cada 40 m3 de concreto o una vez por cada 200 m2 de área de losas o muros. Como mínimo debe tomarse una pareja de muestras de concreto de columnas por piso. De igual manera, como mínimo debe tomarse una pareja de muestras por cada 25 bachadas de cada clase de concreto.

C.5.6.1.2 – Si en una determinada obra, el volumen total de concreto es tal que la frecuencia de los ensayos, da lugar a menos de 5 ensayos de resistencia para una misma clase de concreto, las muestras deben tomarse de por lo menos 5 mezclas seleccionadas al azar, o en cada mezcla si se usan menos de 5.

C.5.6.1.3 – Cuando la cantidad total de una clase de concreto sea menor de 10 m3 pueden suprimirse las pruebas de resistencia si, a juicio del Supervisor Técnico existe suficiente evidencia de que la resistencia que se va a obtener es satisfactoria.

C.5.6.1.4 – Un ensayo de resistencia debe ser el resultado del promedio de resistencia de dos cilindros tomados de una misma mezcla y ensayados a los 28 días, o a la edad especificada en caso de que sea diferente de 28 días.

C.5.6.2 – ENSAYO DE MUESTRAS CURADAS EN EL LABORATORIO

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C.5.6.2.1 – Para ensayo de resistencia, las muestras se deben tomar de conformidad con la norma NTC 454 (ASTM C172).

C.5.6.2.2 – Los cilindros para el ensayo de resistencia deben fabricarse y curarse de conformidad con la norma NTC 550 (ASTM C31) y ensayarse según la norma NTC 637 (ASTM C39).

C.5.6.2.3 – El nivel de resistencia para cada clase de concreto se considera satisfactoria simultáneamente con los siguientes requisitos:

a. Que los promedios aritméticos de todos los conjuntos de 3 resultados consecutivos de ensayos de resistencia (un ensayo es el promedio de resistencia de dos cilindros), igualen o excedan el valor nominal especificado para f'c, y

b. Que ningún resultado individual de los ensayos de resistencia (un ensayo es el promedio de resistencia de dos cilindro), tenga una resistencia inferior en 3.5 MPa, o más a f'c.

C.5.6.2.4 – Si no se cumple cualquiera de los requisitos de C.5.6.2.3, se deben tomar de inmediato las medidas necesarias para aumentar el promedio de los resultados de los siguientes ensayos de resistencia. Además, deben tenerse en cuenta los requisitos estipulados en C.5.6.4 si no se cumple el requisito de C.5.6.2.3 (b).

C.5.6.3 – ENSAYO DE MUESTRAS CURADAS BAJO CONDICIONES DE CAMPO

C.5.6.3.1 – El Supervisor Técnico puede exigir el ensayo de resistencia en cilindros curados bajo condiciones de campo, con el objeto de comparar la bondad del curado y de la protección del concreto en la estructura.

C.5.6.3.2 – Los cilindros curados bajo las condiciones de campo deben someterse al procedimiento indicado en la norma NTC 550 (ASTM C31).

C.5.6.3.3 – Los cilindros que vayan a ser curados bajo las condiciones de campo, se deben moldear al mismo tiempo y tomarse del mismo material que se emplee para moldear los cilindros curados en el laboratorio.

C.5.6.3.4 – Los procedimientos de protección y curado del concreto deben mejorarse cuando la resistencia de los cilindros curados bajo las condiciones de campo, ensayados a la misma edad de la determinación de f'c, sea menor del 85% de la resistencia de cilindros compañeros curados en el laboratorio. La limitación del 85% no hay necesidad de aplicarla si la resistencia de los cilindros curados bajo las condiciones de campo excede f'c en más de 3.5 MPa.

C.5.6.4 – INVESTIGACION DE LOS RESULTADOS BAJOS EN LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA

C.5.6.4.1 – Si cualquier ensayo de resistencia (promedio de dos cilindros) en cilindros curados en laboratorio, resulta menor en 3.5 MPa que f'c (véase C.5.6.2.3

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(b)), o si los ensayos de cilindros curados bajo condiciones de campo indican deficiencias en la protección o el curado del concreto (véase C.5.6.3.4), deben tomarse las medidas necesarias para asegurar que la capacidad de carga de la estructura no se haya comprometido.

C.5.6.4.2 – En caso de confirmarse que el concreto es de baja resistencia, y si los cálculos indican que la capacidad de soportar carga de la estructura se ha reducido significativamente, se puede apelar al ensayo sobre núcleos extraídos de la zona en duda, de acuerdo con la norma NTC 3658 (ASTM C42). En tal caso deben tomarse 3 núcleos por cada ensayo de resistencia que haya sido inferior en 3.5 MPa, o más a f'c.

C.5.6.4.3 – En caso de que el concreto de la estructura vaya a estar en seco durante las condiciones de servicio, los núcleos deben secarse al aire (entre 15ºC y 30ºC de temperatura y humedad relativa menor del 60%), durante 7 días antes del ensayo, y deben probarse secos. Si el concreto de la estructura va a estar más que superficialmente húmedo durante las condiciones de servicio, los núcleos deben sumergirse en agua por lo menos durante 40 horas y ensayarse húmedos.

C.5.6.4.4 – El concreto de la zona representada por los núcleos es estructuralmente adecuado, si el promedio de los tres núcleos resulta por lo menos o igual al 85% de f'c y si ningún núcleo presenta resistencia menor del 75% de f'c. Para comprobar la precisión del ensayo se pueden volver a tomar y ensayar los núcleos en los lugares que presentan resultados dudosos.

C.5.6.4.5 – Si los criterios de C.5.6.4.4 no se cumplen, y si la seguridad estructural permanece en duda el Supervisor Técnico puede ordenar que se hagan pruebas de carga como las descritas en el Capítulo C.19 Pruebas de carga, para la parte dudosa de la estructura, o tomar otra medida adecuada a las circunstancias.

C.5.7– PREPARACION DEL EQUIPO Y DEL LUGAR DE COLOCACION DEL CONCRETO

C.5.7.1 – Los preparativos anteriores a la colocación del concreto deben incluir los siguientes puntos:

a. Todo el equipo para el mezclado y transporte del concreto debe estar limpio.

b. Todos los residuos deben ser retirados de los lugares que ocupará el concreto.

c. La parte interna de las formaletas debe estar adecuadamente protegida.

d. Las unidades de mampostería que van a estar en contacto con el concreto, deben estar humedecidas.

e. El refuerzo debe estar completamente libre de recubrimientos superficiales.

f. El sitio de colocación del concreto debe estar libre de agua antes de depositar el concreto, excepto cuando se emplee un sistema de vaciado por medio de “tremie" u otro sistema aprobado por el Supervisor Técnico.

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g. Las superficies de concreto endurecido sobre las cuales se vaya a colocar concreto adicional, deben estar libres de lechada o de cualquier material perjudicial o deleznable.

C.5.8 – MEZCLADO DEL CONCRETO

C.5.8.1 – La duración del mezclado debe ser la necesaria para conseguir una mezcla íntima y homogénea de los distintos componentes; la mezcladora debe descargarse completamente antes de volver a usar.

C.5.8.2 – El concreto premezclado debe cumplir con las normas NTC 3318 (ASTM C94) o NTC 4027 (ASTM C685).

C.5.8.3 – Para la preparación del concreto mezclado en obra, debe observarse lo siguiente:

a. Los concretos deben prepararse en mezcladora, y esta debe ser aprobada por el supervisor técnico.

b. La mezcladora debe ser operada a la velocidad recomendada por el fabricante.

c. El mezclado debe continuarse por lo menos durante 1 minuto y medio después de que todos los materiales estén en la mezcladora, a menos que con un tiempo menor se cumplan los requisitos de uniformidad de la norma NTC 3318 (ASTM C94).

d. El manejo de los materiales, su colocación en la mezcladora y el mezclado deben hacerse con los requisitos correspondientes de la norma NTC 3318 (ASTM C94).

e. Debe mantenerse un registro detallado que permita identificar:

El número de tandas de mezcla producida

La dosificación de los materiales usados

Localización aproximada dentro de la estructura

Fecha y hora tanto de mezclado como de su colocación

C.5.9 – TRANSPORTE DEL CONCRETO

C.5.9.1 – El transporte del concreto desde la mezcladora hasta el lugar final de la colocación debe hacerse por procedimientos que eviten la segregación o pérdida de materiales.

C.5.9.2 – El equipo de transporte debe ser el adecuado para suministrar concreto al sitio de vaciado sin segregación ni interrupciones excesivas que ocasionen pérdidas de manejabilidad entre mezclas sucesivas.

C.5.10 – COLOCACION DEL CONCRETO

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C.5.10.1 – Para evitar la segregación debida a la manipulación excesiva, el concreto debe ser colocado en un sitio tan próximo a su posición final como sea posible.

C.5.10.2 – La velocidad de colocación debe ser tal que permita al concreto permanecer en estado plástico y fluir fácilmente entre las barras de refuerzo.

C.5.10.3 – El concreto que haya endurecido parcialmente o se encuentra contaminado por materiales extraños, no puede colocarse en la estructura.

C.5.10.4 – No debe utilizarse concreto al que después de preparado se le adicione agua para aumentar su manejabilidad, y el que haya sido mezclado nuevamante después de su fraguado inicial, excepto cuando lo permita el Supervisor Técnico.

C.5.10.5 – Una vez iniciada la colocación del concreto, esta debe efectuarse de una manera continua hasta que se haya colocado completamente el panel o sección, hasta sus limites o juntas de construcción predeterminadas, con excepción de lo especificado en C.6.4.

C.5.10.6 – La superficie superior del concreto sobre el cual se colocará más concreto debe ser dejada a nivel.

C.5.10.7 – Las juntas de construcción, cuando sean necesarias, deben realizarse de acuerdo con lo prescrito en C.6.4.

C.5.10.8 – Todo el concreto debe compactarse cuidadosamente durante su colocación, utilizando medios que permitan su adecuada colocación alrededor del refuerzo, de los elementos embebidos y de las esquinas de la formaleta.

C.5.10.9 – Cuando se trata de concreto masivo deben tomarse las precauciones adecuadas para evitar un aumento excesivo de la temperatura del concreto a fraguar.

C.5.11 – CURADO DEL CONCRETO

C.5.11.1 – El concreto diferente del de alta resistencia temprana, debe mantenerse a una temperatura por encima de los 10ºC y húmedo para permitir su hidratación, por los menos durante los primeros 7 días contados a partir de su vaciado, excepto cuando se cure de acuerdo con C.5.11.3.

C.5.11.2 – El concreto de alta resistencia temprana, debe mantenerse a una temperatura por encima de los 10ºC y húmedo para permitir su hidratación, por los menos durante los primeros 3 días contados a partir de su vaciado, excepto cuando se cure de acuerdo con C.5.11.3.

C.5.11.3 – CURADO ACELERADO

C.5.11.3.1 – Para acelerar el aumento de resistencia y reducir el tiempo de fraguado puede emplearse el curado a vapor a alta presión, vapor a presión atmosférica,

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calor y humedad, o cualquier otro proceso previamente aprobado por el Supervisor Técnico.

C.5.11.3.2 – El curado acelerado debe proporcionar, en la etapa de carga bajo consideración, una resistencia del concreto a la compresión, por lo menos igual a la de la resistencia de diseño requerida para la misma etapa de carga.

C.5.11.3.3 – El proceso de curado acelerado debe proporcionarle al concreto una durabilidad al menos equivalente a la esperada utilizando los métodos de curado dados en C.5.11.1 ó C.5.11.2.

C.5.11.4 – Cuando lo requiera el Supervisor Técnico, deben realizarse ensayos de resistencia adicionales, de acuerdo con C.5.6.3, con el fin de confirmar que el curado es satisfactorio.

C.5.12 – REQUISITOS PARA CLIMA FRIO

C.5.12.1 – En zonas sometidas a temperaturas muy bajas, menores a 5ºC, es necesario tener el equipo adecuado para calentar los materiales utilizados en la elaboración del concreto y para protegerlo de riesgos de congelación.

C.5.12.2 – Los materiales constituyentes del concreto los refuerzos, la formaleta, los rellenos y el suelo, que van a estar en contacto con el concreto deben estar libres de escarcha.

C.5.12.3 – No deben utilizarse materiales congelados o que contengan hielo.

C.5.13 – REQUISITOS PARA CLIMA CALIDO

C.5.13.1 – En clima cálido donde se presentan temperaturas superiores a los 25ºC, es necesario dar atención adecuada a los materiales, a los métodos de producción, manipulación al vaciado, a la protección y al curado, para evitar temperaturas excesivas del concreto o la correspondiente evaporación de agua, que pudieran perjudicar las resistencia requerida o las condiciones de servicio del elemento o de estructura.

CÁLCULOS ESTADÍSTICOS

Se ha comprobado que los resultados de resistencia a compresión de una mezcla definida, se ajusta a una pauta de la curva de frecuencia de distribución normal. Entre mayor sea el número de ensayos graficados, más se parecerá la curva trazada a una curva de distribución normal de frecuencias o campana de Gauss. Al comprobarse lo anterior, se pudieron aplicar los conceptos estadísticos relativos a la distribución normal y con base en ellos, se han fijado las normas para la producción y aceptación de las mezclas de concreto empleadas actualmente.

La expresión matemática de la estadística aplicable al concreto se escribe así:

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1001

'' vtff c

cr−

= (I)

donde:

f’cr = Resistencia media requerida a la compresión en MPa f´c = Resistencia especificada t = Coeficiente que depende del % de resultados que se aceptan por

debajo de f'c. v = Coeficiente de variación que indica el grado de control de calidad del

concreto en una obra cualquiera.

100xsvf cr

= (II)

nff i

cr

∑= (III)

( )n

sff cri∑ −

=2

(IV)

fi = Resistencia a la compresión de un ensayo cualquiera n = Número total de ensayos s = Desviación estandard en MPa

Se requiere para la aplicación de este método estadístico, la realización de al menos 30 ensayos consecutivos o el promedio estadístico de 30 pareja de cilindros.

La forma de la curva normal de distribución de frecuencias depende de la variabilidad de los resultados de la prueba. Cuando dicha variabilidad se incrementa, la curva se alarga y se abate; cuando la variabilidad es poca, los valores de resistencia se sitúan cerca del promedio y la curva es alta y angosta. Ver Figura Nº 49

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FIGURA Nº 49: DISTRIBUCIÓN NORMAL DE FRECUENCIA

La desviación estándard, es una medida de la dispersión o variabilidad de los datos o resultados. Para el caso I (Figura Nº 49) el valor de s es grande y esto indica mucha variación. En el caso II hay poca variabilidad y por ello el valor de a será pequeño. De todas maneras, cualquiera que sea la forma de la curva de distribución normal y el valor de la desviación estandard (s), el área bajo la curva entre (x + s) y (x - s) será siempre el 68.2'% del área total bajo la curva. Lo anterior significa que el 15.9% del área de la curva quedará por debajo de (x + s) o (x - s).

La ecuación (I) se puede combinar con la (II) obteniéndose la siguiente expresión:

fcr = f'c + t s (V)

El valor de t para más de 30 datos se expresa en la Tabla Nº 55.

TABLA Nº 55: VALORES DE t EN FUNCIÓN DEL % DE RESULTADOS QUE SE ACEPTAN POR DEBAJO DE f´C

% de resultados menores de f’c

25 20 15 10 5 2.5 1 0.5

t 0,674 0,842 1,036 1,282 1,645 1,960 2,326 2,576

Por ejemplo: sí se acepta que la probabilidad, de que el promedio de tres ensayos consecutivos caigan por debajo de f’c, sea del 10%, entonces:

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(I) será:

3100282.11

'v

ff ccr

−=

(V) será: 3

282.1' sff ccr+=

Para el cálculo anterior se debe tener en cuenta que de acuerdo a las recomendaciones del ACI 214, si se toman "m” ensayos consecutivos para un promedio, el coeficiente de variación de un grupo de resultados promediados así, será:

mvvm =

Si se conoce que el coeficiente de variación en la obra es del 15 % y f´c es 28.0 MPa, el concreto deberá diseñarse para una resistencia media de: 31.5 Mpa. La desviación estandard será de 2.02 MPa.

Si para las mismas condiciones se solicita que la probabilidad de tener resultados por debajo de (f´c – 3.5) MPa, sea inferior al 10%, entonces:

mv

ff ccr

100282.11

35'−

−=

m = 1 entonces fcr = 30.33 MPa

Si no se dispone de un número suficiente de ensayos para calcular el coeficiente de variación (30 o más) o en caso que la desviación estandard sea mayor de 4.2 MPa, se puede emplear la siguiente expresión en MPa:

fcr = f'c + 8.5

Como una información general, se muestran los coeficientes de variación estimados para diferentes grados de control:

*(kg/cm2) C.V.(%) Grado de Control 17.5 5 Ensayos de laboratorio bien controlados

35.0 10 Excelente precisión de laboratorio

42,0 12 Excelente

52,5 15 Bueno

63,0 18 Aceptable

70,0 20 Deficiente

87,5 25 Malo

* Para una fcr de 35 MPa.

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Como aspectos importantes se pueden resaltar los siguientes:

• Independiente de la resistencia solicitada, en toda empresa constructora que cuenta con un grupo humano estable y un equipo definido para hacer concretos, se alcanza un coeficiente de variación definido a través del tiempo de operación.

• Si dicho coeficiente de variación no se encuentra dentro de los valores de aceptación, habrá necesidad de evaluar todos los pasos de producción y afinar algunos controles con el objeto de conseguir un coeficiente de variación aceptable.

• Sin modificar las dosificaciones de mezcla, una vez afinado los pasos de producción y control, se conseguirá un coeficiente de variación reproducible en todos los casos. (3 meses de prueba) Es en este momento cuando se deben rediseñar las mezclas buscando la resistencia media característica nueva. Por ejemplo:

Si una mezcla de f´c = 210 kg/cm2 se ha venido produciendo con un coeficiente de variación (v) del 20%, para una probabilidad de que el promedio de tres ensayos consecutivos sea menor de f'c en el 10%, fcr = 24.65 MPam2.

Esto significa, que el diseño de mezcla se realiza para una resistencia de 24.65 Mpa. Si al afinar el control, el coeficiente de variación se reduce al 12%, la resistencia media nueva y objeto del diseño de mezcla será: 23 MPa. En este segundo caso, el diseño será más económico por reducción de la cantidad de cemento.

6.5 ¿CUÁL ES EL PAPEL DE LOS LABORATORIOS DE ENSAYO DE CONCRETOS?

Prestar un servicio para efectuar inspecciones de alta calidad y realizar ensayos confiables de laboratorio. Así se constituyen en un factor preponderante para contribuir a que las estructuras de concreto sean eficientes, seguras y alcancen el costo óptimo. Para lograr esto, es necesario desarrollar, estandarizar e implementar mecanismos que permitan promover la calidad de estos servicios.

Realizar un muestreo apropiado del concreto y disponer de un reporte confiable de los resultados, gana día a día una mayor importancia, pues para realizar el diseño estructural y realizar la modelación por computador es necesario conocer de forma precisa las propiedades de los materiales seleccionados para la ejecución del proyecto.

Actualmente en el mundo moderno se esta imponiendo el uso de concretos de alto comportamiento o prestación, lo que significa mejorarle sus propiedades mecánicas así como las de estabilidad de volumen y durabilidad frente a diversos ambientes.

Otro aspecto que se busca con esta nueva tecnología es mejorar la aptitud reológica de la masa de concreto y con ello las condiciones de colocación y consolidación.

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Para conseguirlo, se necesita disponer de laboratorios que garanticen una confiabilidad absoluta de los resultados. Todo esto requiere de instalaciones dotadas apropiadamente, dirigidas y operadas con personal idóneo con una permanente capacitación y actualización de las técnicas de experimentación, definidas por un ente regulador, llámese ICONTEC, ASTM, ACI, etc.

La nueva norma de diseño y construcción sismo resistente en Colombia - norma NSR 98 – está basado en la aplicación y cumplimiento de un sinnúmero de especificaciones y normas, muchas relativas a materiales tales como: concreto, morteros, prefabricados, muros, etc. No hay certeza que los laboratorios del país dedicados al control de calidad y ensayos de materiales y elementos, cumplan con la totalidad de las condiciones exigidas para garantizar la confiabilidad de los resultados y la prestación oportuna de los servicios de ensayos. Y en esto es necesario trabajar exhaustivamente.

Vale la pena conocer que todo laboratorio debe mantener una acreditación periódica por parte de alguna institución de carácter internacional reconocida como laboratorio o como programa de referencia. Uno ejemplo es “The Cement and Concret Reference Laboratory” (CCRL) del “National Institute of Standard and Technology” (NIST), que presta servicios de inspección de laboratorios y de calificación de la calidad de los resultados. Para alcanzar este reconocimiento se debe realizar una inversión significativa en equipos e instalaciones así como en entrenamiento de personal. Se debe también garantizar un mantenimiento adecuado de las máquinas, la calibración periódica de equipos y la reposición de materiales fungibles o de corta duración, como son los moldes cúbicos o cilíndricos empleados para confeccionar especímenes para realizar las pruebas mecánicas del cemento o el concreto.

6.6 PRUEBAS DEL CONCRETO FRESCO ( )50

Las pruebas del concreto se pueden agrupar en:

• Pruebas para evaluar el funcionamiento de los materiales disponibles y establecer la dosificación de mezcla. Generalmente se hacen en el laboratorio y con ellas se determina el peso unitario, la manejabilidad y la resistencia del concreto.

• Pruebas de control del concreto producido. Comprenden: ensayos de asentamiento, contenido de aire y resistencias mecánicas con muestras tomadas al pie de obra, sobre la mezcladora o en el lugar de colocación.

Respecto al concreto fresco, sus pruebas son las siguientes:

50 Georges Dreux “Guía Practica del Hormigón", Editores Técnicos Asociados S,A,, Barcelona, 1981.

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6.6.1 MUESTREO

Es necesario que la muestra sea representativa de un todo para que los resultados de las pruebas no resulten engañosos. Toda muestra deberá conseguirse y manejarse como lo plantea la norma NTC 454: "Hormigón fresco. Toma de muestras". En ella se define que las muestras para ensayo deberán tener un volumen mínimo de 30 Its.

La frecuencia de muestreo según la NSR-98 y las muestras de prueba de cada clase de concreto deben tomarse:

• No menos de una vez por día.

• No menos de una vez por cada 120 m3 de concreto o por cada 450 m

2 de área

de placas o muros.

• Si en una obra, el volumen de concreto total es tal que la frecuencia de ensayos da lugar a menos de 5 ensayos de resistencia para una misma clase de concreto, los ensayos deben hacerse, por lo menos, en 5 mezclas tomadas al azar.

Es posible que se requieran muestras adicionales cuando ocurren cambios bruscos de temperatura o humedad o cuando ocurren cambios de materiales o de sus fuentes. En algunas normas se pide tomar muestras adicionales para simular todas las condiciones de la obra.

Toda muestra deberá emplearse dentro de los primeros 15 minutos de la toma y habrá que protegerla del sol y del viento.

6.6.2 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL ASENTAMIENTO

Corresponde a la norma NTC 396 y tiene como objeto determinar el asentamiento (slump) del concreto en las obras o en el laboratorio. No es aplicable para concretos magros (no plásticos) ni para contenidos de agregado cuyo tamaño máximo sea mayor a 50 mm.

Como recomendaciones especiales, por la gran cantidad de errores que se aprecian en la práctica, se pueden citar:

• La varilla compactadora debe ser de un diámetro de 16 mm, Con el extremo compactador en forma de semiesfera y un radio de 8 mm.

• El cono se llena en tres capas iguales que ocupan 1/3 del volumen del molde aproximadamente y se compactará cada una con 25 golpes de la varilla distribuidos uniformemente sobre su sección transversal,

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6.6.3 MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

Es fundamental medir la temperatura del concreto antes de proceder a su vaciado, especialmente en los climas calurosos que estén acompañados de una baja humedad relativa y de un viento fuerte. Estos tres factores determinarán la velocidad de secado del agua en el concreto, lo cual podrá producir problemas de fisuras o contracciones por secado si se supera la cifra de 0,5 kgs/m2hr. Para la ciudad de Cali estos valores se alcanzan con temperatura del concreto superior a 29 ºC. La medida se efectúa con un termómetro de cuello largo que se introduce durante 30”en la masa de concreto.

6.6.4 MEDICIÓN DEL AIRE ATRAPADO O INCORPORADO

Las normas NTC 1028 y 1032 presentan respectivamente, un método volumétrico y otro por presión para conseguir este fin. El atrape de aire como la incorporación incontrolada de aire al concreto, genera pérdidas de resistencia mecánica, aunque se logran beneficios en la manejabilidad e impermeabilidad del concreto fresco y endurecido. Algunas arenas así como las adiciones al cemento y algunos aditivos, tienen la característica de incrementar el aire atrapado dentro del concreto con las consiguientes ventajas o desventajas.

Es importante recordar que la resistencia del concreto esta en función de su compacidad y como el aire atrapado o incluido reduce esta compacidad, entonces también se verá reducida la resistencia. Aún así, especialmente para concretos pobres, el aire incluido mejora notablemente la plasticidad de la mezcla y por ello se puede reducir la relación a/c consiguiéndose así compensar la pérdida de resistencias debido a los vacíos. Para el caso de los concretes masivos, en donde lo que interesa es reducir al máximo el desarrollo de los calores de hidratación aportados por el cemento, no siendo tan prioritario alcanzar alta resistencia, es importante el uso de incorporadores de aire, pues así se trabajan mezclas con bajos contenidos de cemento reduciéndose el desarrollo de calores de hidratación. En mezclas ricas, el efecto que tiene el aire atrapado sobre la trabajabilidad es muy pequeño, por lo tanto la relación a/c se puede reducir muy poco y en general hay una pérdida neta de resistencia.

En términos generales una inclusión del 5% de aire, ocasiona un incremento en el asentamiento de 1.5 a 5.0 cm. (5/8” a 2”) La razón de la mejoría en la trabajabilidad con el aire incluido procede probablemente de que las burbujas de aire, que mantienen forma esférica por la tensión superficial, actúan como un agregado fino de muy baja fricción superficial y de considerable elasticidad. El aire incluido en las mezclas las hace comportar como si contuvieran más arena y por esto, la adición de aire incluido debe ir acompañada de una reducción de arena. Esta última variación permite una nueva reducción en el contenido de agua de la mezcla, es decir, una posible compensación adicional a la pérdida de resistencia debida a la presencia de huecos.

El método de presión recomendado por la norma NTC 1032, se emplea con mayor frecuencia pues se acomoda mejor a las condiciones de la obra. Está basado en la relación de la ley de Boyle, entre el volumen de aire y la presión aplicada a una

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temperatura constante. (P1V1 = P2V2) El uso de los medidores comerciales no es recomendado para concretos con agregados porosos.

6.7 PRUEBAS DEL CONCRETO ENDURECIDO

Se involucrará en esta descripción, lo referente a la preparación de las probetas de concreto para las pruebas de la resistencia mecánica. Estas son las más comunes por su sencillez de ejecución, siendo la de compresión la de mayor frecuencia.

Las pruebas de resistencia se clasifican en ensayos destructivos y no destructivos; con estos últimos es posible estudiar las variaciones de las propiedades a través del tiempo.

6.7.1 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

Este ensayo corresponde a la norma NTC 673 y sus características más sobresalientes son:

• Los moldes cilíndricos deben poseer las siguientes dimensiones:

Diámetro: 150 ± 3 mm

Altura: 300 ± 6 mm

• Los cilindros se llenan utilizando el método de compactación por apisonado en 3 capas, cada una se compactará con 25 golpes. Para ello se emplea una varilla lisa redonda de 16 mm de diámetro, 600 mm de longitud, con un extremo compactador de forma semiesférica que posee un radio de 8 mm.

• El diámetro del cilindro debe ser como mínimo 3 veces el tamaño máxino nominal del agregado grueso.

• Se pueden emplear otros procedimientos de Ilenado del cilindro en función de la trabajabilidad del concreto. En general para todo concreto de consistencia baja menor de 25 mm debe usarse una compactación por vibración.

• Si el vibrado es interno, se hace en 2 capas con un equipo cuya frecuencia mínima debe ser de 7000 rpm y el elemento vibrador tendrá un diámetro entre 19 y 38 mm.

• Si el vibrado es externo el molde debe estar unido rígidamente a la superficie vibrante. Este tipo de vibrador requiere una frecuencia mínima de 3600 rpm.

• Los cilindros deben refrendarse buscando paralelismo entre las caras. Por falta de este se puede errar deficientemente en 1/3f'c. En la norma NTC 504 se especifica y establece el procedimiento de refrendado.

• Los cilindros deben curarse en sus primeras 24 h sobre una superficie horizontal, rígida, previéndose la pérdida de humedad por evaporación. La

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temperatura debe mantenerse entre 23 ± 1.7 ºC. Luego se sumergen en agua, a igual temperatura, y que debe estar saturada de cal para evitar la extracción de la portlandita del cilindro. Se requieren mínimo 1.5 gr cal/lt de agua.

• En la máquina de ensayo y previo a este, se debe cuidar:

ο El centrado del cilindro

ο Hay que medir y conocer la altura del cilindro (Ver tabla Nº 56)

ο Hay que conocer el peso del cilindro

ο Hay que conocer el área superficial del cilindro (Ver tabla Nº 57)

ο Hay que tomar nota de las condiciones ambientales de temperatura y humedad durante el ensayo.

TABLA Nº 56: Factores de corrección para la resistencia de cilindros con diferentes relaciones altura : diámetro h/Ø (ASTM C 42)

h/Ø Factor de Corrección de la Resistencia *

2.00 1.00 1,75 0,99 1.50 0,97 1.25 0,94 1.00 0.91

* Importante cuando se trata de tomar corazones de un elemento de concreto.

• En la tabla Nº 57, se presenta el factor de corrección de la resistencia para probeta con una relación h/Ø = 2 pero de distinto tamaño. Se toma como base de referencia la encontrada para el cilindro de 15/30 donde:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

3015

2 '' ff ccK

xx

Tabla Nº 57: Factor de corrección de la resistencia para probetas de diferentes tamaños pero con relación h/Ø = 2

Cilindro (cm) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

xx

2 10/20 15/30 20/40 25/50 30/60 40/80

K 1.02 1.00 0.97 0.95 0.91 0.85

* Según propuesta del ISO (International Standard Organization )

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Cuando se trata de concretos masivos (presas, obras marítimas,etc.), en los que los agregados pueden llegar a un tamaño máximo de: 100 a 125 mm, habrá que utilizar concretos reducidos por tamizado a un tamaño D compatible con los moldes disponibles, bajo la siguiente regla:

( ) ( )5

cilindrotamizD θ≤

θ = diámetro del cilindro en cm

• La velocidad de aplicación de la carga al cilindro tiene una notable incidencia. A mayor velocidad mayor carga soporta el cilindro a la rotura. La causa es el aumento en la deformación unitaria con el paso del tiempo causando la fluencia, y cuando se alcanza una deformación unitaria limite se presenta la falla.

La norma NTC 673 plantea que velocidad para romper cilindros debe ser de 1.4 a 3,5 kgs/cm2seg, permitiendo aplicar la mitad de la carga estimada, rápidamente.

En general, alrededor de pruebas de resistencia a compresión del concreto, existen muchas recomendaciones llegándose a afirmar, con bastante razón, que no siempre se hace el ensayo acogiéndose a todos los requerimientos de la prueba y por ello sus resultados no son confiables en muchos casos. En la tabla Nº 58, se presenta el efecto que tiene sobre la variación de la resistencia, no satisfacer algunas condiciones del ensayo a compresión en cilindros.

TABLA Nº 58: EFECTOS DE ALGUNAS VARIABLES DE PRUEBA SOBRE LA RESISTENCIA

Tipo de Variable % de la resistencia obtenida respecto a

las resistencias de cilindros tratados normalmente

10 golpes por capa 94 a 96 % 40 golpes por capa 100 a 105 % Curado a la intemperie 81 a 92 % Curado bajo techo 85 a 95 % Transporte incorrecto 86 a 96 % Caras sin refrendado 62 a 79 % Carga no axial 34 a 46 % Aplicación lenta de carga 91 a 94 % Aplicación rápida de carta 98 a 112 % Barra de con pactación de 1” 95 a101 % Refrendado fresco 91 a101 %

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6.7.2 LA PRUEBA DE NÚCLEOS

Es una prueba que se emplea para estimar la resistencia de un elemento sobre la cual hay dudas. Es importante mantener la relación h/Ø = 2.0. Las muestras extraídas normalmente poseen menor resistencia que la de un cilindro curado normalmente.

Es una prueba destructiva (ASTM C-42) La norma NSR98 la menciona en:

• C.4.7.4.1. Se deben tomar tres 3 núcleos por cada ensayo de resistencia inferior a fć- 3.5 MPa.

• C.4.7.4.2. Si la estructura permanece usualmente seca, los núcleos se deben secar al aire (entre 15 y 30 °C y humedad relativa menor al 60%), durante los 7 días del ensayo. Si la estructura permanece usualmente humedad, los núcleos deben de sumergirse en agua durante 40 horas y ensayarse húmedos.

• C.4.74.3. El concreto es adecuado estructuralmente sí:

o El promedio de la resistencia de 3 núcleos es mayor o igual a 85% de fć.

o Ningún resultado de resistencia debe ser menor de 75% de fć.

o Para extraer los núcleos se emplean brocas de diferente diámetros con borde de diamante artificial.

• Se recomienda extraerlos a edades superiores a 14 días.

• El diámetro mínimo a tomar es de 3”, si el hierro lo impide la prueba no es posible.

• Es necesario hacer correcciones por esbeltez.

• La presencia de armadura en el núcleo, altera el resultado.

A continuación se presentan algunos datos de variación de la resistencia en elementos estructurales curados según recomendaciones prácticas:

f'c (MPa) (cilindros normales) % de Resistencia 100'

xf

fc

corazones

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

20.0 100 28.0 80 59.8 70

Cerca de la superficie superior de la estructura, los corazones son de menor resistencia. A 30 cm o más de profundidad no hay variaciones de resistencias.

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6.7.3 PRUEBAS DE CURADO ACELERADO

Actualmente se utilizan los métodos de curado acelerado como técnicas para predecir la resistencia del concreto a 28 días en pocas horas. Lo anterior por la necesidad del constructor de conocer el comportamiento de los concretes a fin de tener certeza de satisfacer las exigencias a que estará sometida la estructura.

La norma NTC 1513 plantea la ejecución del ensayo. En la Universidad del Valle se ha desarrolla investigación sobre el particular, y sus resultados a Enero de 2000, se presentan a continuación:

f´c = 116.0 + 2,18 f28.5

• Coeficiente de correlación (r) = 0.875 • f´c entre 20.0 y 42.0 MPa • Agregado grueso triturado con tamaño máximo de 38 mm • Arena río Cauca: Módulo de finura entre 2.45 y 2.90 • Cemento Conquistador • Asentamientos entre 50 y 125 mm

Como aspecto importante vale la pena anotar que esta ecuación sólo aplica para las condiciones en que fueron preparados y analizados los concretos y de ninguna manera deben generalizarse para toda circunstancia.

En cuanto al procedimiento de ensayo éste exige que el agua se encuentre en su punto de ebullición menos 5 °C para introducir los cilindros en ella. Los cilindros fueron curados 24 horas en condiciones normales y luego se colocaron en agua hirviendo por 3.5 horas, previo sellado de los moldes. Después el cilindro se extrajo de la cámara de curado térmico, se desmoldó y dejó enfriar durante 45 minutos, se refrendó y se ensayó justamente al cumplir 28.5 horas totales de haber sido elaborado.

Este método difiere algo de la norma NTC por haberse puesto en ejecución antes de que ésta fuera presentada y aprobada. El procedimiento descrito se ajusta al aplicado por Malhotra.

6.7.4 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Prueba del Esclerómetro o Martillo de Rebote Esta prueba se base en el principio de que el rebote de una masa elástica depende de la dureza de la superficie en contra de la cual la masa incide. El instrumento mide el rebote de un cilindro de acero empujado por un resorte después que ha actuado y golpea a una superficie pareja de concreto. La técnica fue desarrollada en 1894 por Ernest Schmit.

Funcionamiento: consta de una masa controlada por un resorte, que se desliza sobre un embolo dentro de un tubo. Cuando el embolo se presiona sobre la

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superficie del concreto, se retrae contra el resorte. El resorte se libera en forma automática. Las lecturas oscilan entre 20 y 50

Forma de realizar el ensayo: El martillo se debe aplicar sobre la superficie de concreto de mayor masa, la más plana y lisa. Cuando el concreto es rugoso se emplea una piedra pulidora para logra una superficie plana. Se deben seleccionar varios puntos y no donde haya presencia del refuerzo, (lecturas muy altas), ni donde se aprecien vacíos. Se recomienda tomar 12 lecturas, desechar la mayor y menor, y promediar las diez lecturas restantes. El ensayo es representativo cuando se consigue:

Promedio 20 30 45

σ + 2.5 + 3.0 +3.5

Si el promedio no cumple con este rango, el ensayo debe repetirse.

La posición del martillo con respecto a la horizontal afecta el resultado de numero de rebote, tal como se describe a continuación:

• Posición horizontal: no hay efecto de la gravedad.

• Posición vertical: la gravedad afecta el resultado. Se obtiene un mayor valor esclerométrico en un techo que en un piso.

• Posición inclinada: arroja resultados intermedios.

Esta prueba debe cuidarse mucho, pues el resultado de la lectura se ve afectado por: el tipo de agregado, el grado de humedad, la calidad de la superficie y la edad del concreto. La cercanía de la superficie del acero de refuerzo altera la medida.

En general, este ensayo se puede emplear para salir de dudas respecto a la calidad de un concreto colocado y similar aparentemente, a otro elaborado y colocado menos días antes. Se harán unas lecturas sobre el elemento bueno y se obtendrá una indicación del promedio de resultados con un coeficiente de variación no mayor al 12%, que corresponde al valor aceptado para concretos en obra. Posteriormente se hace el mismo procedimiento sobre el elemento dudoso, se calcula su media y desviación estándar y se decide sobre el problema. También en grandes obras o industries de prefabricación, se acostumbra a calibrar el equipo con los cilindros de prueba, comparando la lectura del instrumento con la resistencia alcanzada por el cilindro.

Es un método sencillo que no es un substituto de la prueba normal de resistencia a la compresión, pero su precisión es suficiente y adecuada para encontrar variaciones notables de resistencia en una estructura siempre y cuando se encuentre calibrado como instrumento con el yunque que cada esclerómetro debe tener y ojalá además, frente a concretos conocidos en resistencia. La exactitud de los resultados obtenidos oscila entre el 15% y el 20%, por ello la prueba es de carácter comparativo y sirve para analizar la uniformidad del concreto. También se puede emplear sin mayores inconvenientes y buena precisión para descubrir

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variaciones en los vaciados por eficacia del curado y para estimar las resistencias de los elementos antes de desatracar o desmoldar un elemento.

La prueba de ultrasonido Principio: Las ondas sonora se pueden propagar en cualquier medio donde existan átomos o moléculas que pueda vibrar elásticamente en medios sólidos, líquidos o gaseosos, teniendo en cuenta que entre más denso es el medio mayor es la velocidad de propagación de la onda. Fundamentalmente mide la compacidad del concreto y ésta tiene una relación directa con la resistencia del mismo.

Se relacionan aquí: la velocidad de propagación con la resistencia. Entre mas denso es el concreto mayor es la velocidad de las ondas y por ende, mayor su resistencia.

Los factores que afectan la lectura son:

• Longitud de la ruta (mínimo 15 cms)

• Rugosidad de la superficie (vaselina) previo esmerilado.

• Humedad del concreto.

• Presencia de armaduras.

• Presencia de fisuras o vacíos.

No existe una relación única y definitiva entre, dicha velocidad y la resistencia del concreto, pero bajo unas condiciones conocidas se puede hallar una relación directa. Esta prueba también se usa para detectar la presencia de grietas en estructuras como las represas y también, para establecer el deterioro ocasionado: por la corrosión del acero, por la acción de agentes químicos o por congelación. Actualmente se consiguen equipos sencillo y portátiles capaces de realizar este trabajo con eficacia.

6.7.5 PRUEBAS PARA DETERMINAR LA COMPOSICIÓN DEL CONCRETO ENDURECIDO

El objeto de esta prueba, es encontrar la composición original, tanto volumétrica como ponderal, de los tres componentes principales del concreto: el cemento, los agregados y el agua. Así mismo, se estudia la composición mineralógica de los agregados. La norman ASTM C-85 plantea el método para realizar esta prueba. El método consiste en deshidratar una muestra de concreto a 550 ºC en 3 horas, disgregarla con la mano, clasificarla por tamices en diferentes fracciones buscando separar el agregado grueso, el fino y la pasta de cemento. Los agregados se lavan con ácido clorhídrico, pues los silicatos del concreto portland se descomponen en éste y se vuelven solubles, Hay que saber acerca del origen de los agregados, pues la presencia de agregados calizos puede falsear los resultados.

El método tiene aplicación en el estudio de obras colapsadas o incendiadas.

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CAPITULO 7: EL PROCESO DE DISEÑO DE MEZCLAS

La razón fundamental para el estudio de la tecnología del concreto, es obtener en la práctica la mezcla requerida en una obra especifica utilizando los materiales de la región. Cuando se hace un diseño de mezclas, hay que considerar que es el proyectista quien especifica las propiedades del concreto endurecido para una estructura dada, pues las propiedades del concreto fresco se rigen por el tipo de construcción, dimensiones, refuerzos, etc y por las técnicas de transporte colocación y terminado. Adicionalmente hay que considerar las condiciones ambientales en que se ubica la obra. Así mismo, juega gran papel en el proyecto del diseño de mezclas, la definición del grado de control que se aplicará en la obra.

Las condiciones básicas para calcular una mezcla son de diferente índole a saber:

7.1 ECONOMICAS

• Cantidad de cemento mínimo.

• Mano de obra y consumo de energía reducidos con un concreto trabajable,

• La variabilidad de la resistencia en función del grado de control.

7.2 POR ESPECIFICACIONES

En algunas oportunidades, estas restringen las posibilidades de optimizar la mezcla de concreto. Estas pueden buscar:

• Definir una resistencia mínima

• Definir una relación a/c máxima

• Definir el contenido máximo de cemento

• En ciertos climas, definir el contenido mínimo de aire para conseguir una buena durabilidad,

• Definir un contenido máximo de cemento para evitar agrietamiento por contracciones en zonas de baja humedad,

• Definir el tipo de agregado en tamaño máximo, forma y textura igual que en densidad, etc.

Para satisfacer lo anteriormente planteado, se recomienda seguir un proceso definido para el diseño de una mezcla de concreto. Esto es, reunir y procesar información sobre características de la obra, condiciones del medio y características de los materiales locales a fin de producir el concreto especificado en los tiempos definidos.

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7.3 LOS FACTORES QUE INTERVIENEN SON:

a. El medio ambiente

b. Normal

c. Agresivo. Hay que conseguir la impermeabilidad (a/c < 0, 45)

d. La resistencia mínima: f´c

e. El control de calidad en la obra: (C.V.)

f. La resistencia media característica: fcr

g. La trabajabilidad en función de:

• Dimensiones de la sección

• Distancia libre entre aceros de refuerzo

• Granulometria de los agregados reales

• Relación a/c y Ag/c

• Cantidad de agua

• Cantidad de cemento

• Cantidad de agregados gruesos y finos

• Peso del concreto

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mezclas concreto salazar (1)

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