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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

P r i m e r a E d i c i ó n


BOLETÍN DE INGENIERÍA EB201

Diseño y Control de Mezclas de Concreto Steven H. Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, William C. Panarese, y Jussara Tanesi


Palabras-clave: acabado, aditivos, agregados, agua de mezcla, áridos, cambios de volumen. cemento, clima caluroso, clima frío, colado, concreto con aire incluido, concreto con aire incorporado, concreto de alto desempeño, concreto de cemento portland, concreto especial, curado, dosificación, durabilidad, ensayos, fibras, hormigón, materiales cementantes suplementarios, mezclado, normas, proporcionamiento de la mezcla y pruebas. RESUMEN: Este libro presenta las propiedades del concreto necesarias en la construcción, incluyéndose resistencia y durabilidad. Todos los ingredientes del concreto ( materiales cementantes, agua, agregados, aditivos y fibras) se revisan para la optimización de su uso en el diseño y en el proporcionamiento de las mezclas de concreto. Se hacen extensivas referencias a las normas ASTM, AASHTO, ACI, COVENIN, IRAM, NCh, NMX, NTC, NTE, NTP, UNIT aplicables. Se aborda el uso del concreto desde el diseño, hasta el dosificación, mezclado, transporte, colado, consolidación, acabado y curado. Los concretos especiales, incluyéndose los concretos de alto desempeño, también se revisan. REFERENCIA: Kosmatka, Steven H.; Kerkhoff, Beatrix; Panarese, William C.; y Tanesi, Jussara: Diseño y Control de Mezclas de Concreto, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, EE.UU., 2004.

Los autores de este boletín son: Steven H. Kosmatka, Director de Investigación y Servicios Técnicos de la PCA Beatrix Kerkhoff, Ingeniera civil, Normas de Productos y tecnología de la PCA William C. Panarese, Ex gerente de los Servicios de Información de la Construcción de la PCA Jussara Tanesi, Ingeniera civil, SaLUT, Inc. Gerente del laboratorio de concreto del TFHRC-FHWA Las fotos de la portada enseñan el concreto premezclado al elevarse por una grúa y un cubo hacia el trigésimo noveno piso de un rascacielos en Chicago. (69991, 70015) © 2004 Portland Cement Association Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro se puede reproducir de cualquier forma sin permiso escrito del editor, la única excepción se dará cuando un crítico desee citar pasajes cortos en una reseña escrita para una revista o periódico. ISBN 0-89312-233-5 La Asociación de Cemento Portland (PCA) es una entidad sin fines lucrativos y que fornece esta publicación solamente para la educación continuada de profesionales cualificados. ESTA PUBLICACIÓN SE DIRIGE ÚNICAMENTE AL USO DE PROFESIONALES CUALIFICADOS que posean todas las licencias necesarias, que sean competentes para evaluar la relevancia y las limitaciones de la información incluida aquí y que acepten total responsabilidad por la aplicación de esta información. Otros lectores deben obtener ayuda con un profesional cualificado antes de continuar. LA ASOCIACIÓN DE CEMENTO PORTLAND (PORTLAND CEMENT ASSOCIATION – PCA) Y SUS MIEMBROS NO ESTABLECEN GARANTÍA ALGUNA, TANTO EXPRESA COMO IMPLÍCITA, CON RESPETO A ESTA PUBLICACIÓN O CUALQUIER INFORMACIÓN CONTENIDA EN ELLA. EN PARTICULAR, NO SE EFECTÚA CUALQUIER GARANTÍA CON RESPETO A MERCADIBILIDAD Y A ADECUABILIDAD PARA UN PROPÓSITO PARTICULAR. LA PCA Y SUS MIEMBROS NIEGAN CUALQUIER RESPONSABILIDAD SOBRE PRODUCTOS (INCLUYENDO, SIN LIMITACIÓN, CUALQUIER RESPONSABILIDAD ESTRICTA POR AGRAVIO) EN CONEXIÓN CON ESTA PUBLICACIÓN O CUALQUIER INFORMACIÓN CONTENIDA EN ELLA.

ADVERTENCIA: El contacto con el concreto, mortero, cemento o mezclas de cemento húmedos (frescos, no endurecidos) puede causar IRRITACIÓN DE LA PIEL, QUEMADURAS QUÍMICAS SEVERAS (TERCER GRADO) o DAÑOS SEVEROS DE LOS OJOS. La exposición frecuente se puede asociar con irritación y/o dermatitis alérgicas de contacto. Use guantes impermeables, camisa de manga larga, pantalones largos y protección adecuada para los ojos al trabajar con estos materiales. Si usted va a permanecer sobre una superficie de concreto húmedo, use botas impermeables suficientemente largas para impedir que el concreto entre en ellas. Lave inmediatamente la piel para limpiar cualquier residuo del concreto, mortero, cemento y mezcla de cemento húmedos. Limpie inmediatamente los ojos con agua limpia después del contacto con estos materiales. El contacto indirecto a través de la ropa puede ser tan serio como el contacto directo, por lo tanto limpie inmediatamente el concreto, mortero, cemento o mezcla de cemento húmedos de la ropa. Busque cuidados médicos rápidamente si siente molestia severa o persistente. ii

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Contenido Capítulo 1 Fundamentos del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Tipo I (SM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Cementos Hidraúlicos en los EE.UU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tipo GU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tipo HE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tipo MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tipo HS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Tipo MH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Tipo LH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Cemento Hidráulico de Escoria en los EE.UU. . . . . . . . . . . 38 Cementos Portland Modificados Norteamericanos . . . . . . . 38 Cementos Especiales en los EE.UU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Cementos de Albañilería (Masonería, Mampostería) y Cementos Mortero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Cementos Plásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Cemento Finamente Molido (Cementos Ultra Finos) . . . 41 Cementos Expansivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Cementos para Pozos Petroleros (Petrolíferos) . . . . . . . . 42 Cementos con Adiciones Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos Repelantes al Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos de Fraguado Regulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos de Geopolímeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos de Etringita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos de Endurecimiento Rápido . . . . . . . . . . . . . . . 42 Cementos de Aluminato de Calcio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Cementos de Fosfato de Magnesio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Cementos en Latinoamérica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Cementos en Argentina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Cementos en Bolivia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Cementos en Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Cementos en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Cementos en Costa Rica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Cementos en El Salvador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Cementos en México. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Cementos en Perú . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Cementos en Uruguay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Cementos en Venezuela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Usos de los Principales Tipos de Cementos en Latinoamérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Cemento Portland Normal u Ordinario . . . . . . . . . . . . 49 Moderada Resistencia a los Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . 49 Alta Resistencia Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Bajo Calor de Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Alta Resistencia a los Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Blanco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Cementos Portland Modificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Cementos Portland Adicionados (Mezclados) . . . . . . . 49 Elección y Especificación de Cementos. . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Disponibilidad de Cementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Concreto Recién Mezclado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Sangrado y Asentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Consolidación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Hidratación, Tiempo de Fraguado, y Endurecimiento . . . 5 Concreto Endurecido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Velocidad de Secado del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Peso Unitario (densidad) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Permeabilidad y Estanquidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Resistencia a Abrasión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Estabilidad de Volumen y Control de Fisuración (agrietamiento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Durabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Resistancia al Congelamiento y Deshielo . . . . . . . . . . . . . 13 Reactividad Álcali-Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Carbonatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Resistencia a los Cloruros y Corrosión de la Armadura . 16 Resistencia Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Sulfatos y Cristalización de Sales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Exposición al Agua del Mar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Etringita y Expansión Retardadas por Calor Inducido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Expansión Retardada por Calor Inducido . . . . . . . . . . 20 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Capítulo 2 Cementos Portland, Cementos Adicionados y Otros Cementos Hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 El Inicio de una Industria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Producción del Cemento Portland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Tipos de Cemento Portland en Los EE.UU. . . . . . . . . . . . . . 30 Tipo I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Tipo II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Tipo III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Tipo IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Tipo V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Cementos con Aire Incluido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Cemento Portland Blanco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Cementos Hidráulicos Adicionados (mezclados o compuestos) en los EE.UU.. . . . . . . . . . . 31 Tipo IS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Tipo IP y Tipo P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Tipo I (PM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Tipo S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 iii


Contenido, continuación Aplicaciones Relacionadas con el Almacenamiento de Agua Potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Especificaciones Canadienses y Europeas . . . . . . . . . . . . 52 Compuestos Químicos e Hidratación del Cemento Portland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Silicato Tricálcico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Silicato Dicálcico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Aluminato Tricálcico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Ferroaluminato Tetracálcico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Sulfato de Calcio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Agua (Evaporable y No-evaporable) . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Propiedades Físicas del Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Tamaño de las Partículas y Finura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Sanidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Consistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Tiempo de Fraguado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Agarromiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Resistencia a Compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Calor de Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) . . . . . . . 67 Densidad Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Análisis Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Análisis por Termogravimetría (TGA) . . . . . . . . . . . . . . . 68 Análisis Térmico Diferencial (DTA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC). . . . . . . . . . . . 69 Ensayos Virtuales de Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Transportación y Envase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Almacenamiento del Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Cemento Caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Resistencia al Impacto y a la Abrasión . . . . . . . . . . . . . . . 87 Resistencia a Congelación-Deshielo . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Resistencia a Sales Descongelantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Contracción por Secado y Fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Permeabilidad y Absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Reactividad Álcali-Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Resistencia a los Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Corrosión de la Armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Carbonatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Resistencia Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Sanidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Color del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Proporcionamiento de las Mezclas de Concreto . . . . . . . . . 92 Disponibilidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Capítulo 4 Agua de Mezcla para el Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Carbonato Alcalino y Bicarbonato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Cloruro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Sulfato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Otras Sales Comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Sales de Hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Diversas Sales Inorgánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Agua del Mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Aguas Ácidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Aguas Alcalinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Aguas de Enjuague. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Aguas de Desechos Industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Aguas Cargando Aguas Sanitarias Residuales (Aguas Negras). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Impurezas Orgánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Sedimentos o Partículas en Suspención . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Aceites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Algas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Interacción con los Aditivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Capítulo 3 Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Cenizas Volantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Escoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Humo de Sílice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Puzolanas Naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Efectos en el Concreto Fresco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Agua de Demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Sangrado y Segregación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Calor de Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Tiempo de Fraguado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Acabado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Bombeabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Fisuración por Contracción Plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Efectos Sobre el Concreto Endurecido . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Capítulo 5 Agregrados para Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Characterísticas de los Agregados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Granulometría (Gradación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Granulometría del Agregado Fino . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Módulo de Finura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Granulometría del Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . 109 Granulometría Combinada del Agregado. . . . . . . . . . . . 112 Agregado con Granulometría Discontinua . . . . . . . . . . . 112 Forma y Textura Superficial de las Partículas. . . . . . . . . 113 Densidad Suelta (Peso Volumétrico, Peso Unitario, Masa Unitaria, Peso Específico) y Vacíos . . . . . . . . 114 Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 iv


Contenido, continuación Absorción y Humedad Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Hinchamiento (Abultamiento, Abundamiento) . . . . . 115 Resistancia a Congelación y Deshielo . . . . . . . . . . . . . . . 116 Propiedades de Humedecimiento y Secado . . . . . . . . . . 117 Abrasión y Resistencia al Derrapamiento . . . . . . . . . . . . 117 Resistencia y Contracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Resistencia a Ácidos y Otras Sustancias Corrosivas . . . 118 Resistencia al Fuego y Propiedades Térmicas . . . . . . . . 119 Materiales Potencialmente Perjudiciales . . . . . . . . . . . . . . . 119 Reactividad Álcali-Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Reacción Álcali-Silice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Síntomas Visuales de la Expansión por RAS . . . . . . . 121 Mecanismo de la RAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Factores que Afectan la RAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Métodos de Ensayo para Identificar el Daño por RAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Control de la RAS en el Concreto Nuevo . . . . . . . . . . 122 Identificación de los Agregados Potencialmente Reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Materiales y Métodos para Control de la RAS . . . . . . 126 Reacción Álcali-Carbonato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Mecanismo de la RAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Dedolomitización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Métodos de Ensayo para la Indentificación de los Daños por RAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Materiales y Métodos de Control de RAC . . . . . . . . . 127 Beneficio de Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Manoseo y Almacenamiento de Agregados . . . . . . . . . . . . 127 Agregado Dragado del Mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Agregados de Concreto Reciclado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Aditivos Anti-Deslave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Compatibilidad de los Aditivos y los Materiales Cementantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Almacenamiento y Dosificación de los Aditivos Químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Capítulo 7 Fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Ventajas y Desventajas del Uso de Fibras . . . . . . . . . . . . . . 153 Tipos y Propiedades de Fibras y su Efecto en el Concreto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Fibras de Acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Fibras de Vidrio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Fibras Sintéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Fibras Naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Fibras Naturales No Procesadas . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Fibras de Madera (Fibras Naturales Procesadas) . . . . 159 Sistemas Múltiplos de Fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Capítulo 8 Concreto con Aire Incluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Propiedades del Concreto con Aire Incluido . . . . . . . . . . . 161 Resistencia a la Congelación-Deshielo . . . . . . . . . . . . . . 162 Resistencia al Descascaramiento por Descongelante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Secado al Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Tratamiento de Superficies Descascaradas . . . . . . . . . 166 Resistencia a los Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Resistencia a la Reactividad Álcali-Silice . . . . . . . . . . . . 167 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Materiales Inclusores de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Factores Que Afectan el Contenido de Aire . . . . . . . . . . . . 170 Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Agregado Fino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Agua de Mezcla y Revenimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Revenimiento y Vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Temperatura del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Materiales Cementantes Suplementarios . . . . . . . . . . . . 176 Aditivos y Agentes Colorantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Efecto del Mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Transporte y Manejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Acabado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Pruebas para Determinar el Contenido de Aire . . . . . . . . . 178 Análisis del Sistema de Vacios de Aire del Concreto Fresco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Contenidos Recomendados de Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Capítulo 6 Aditivos para Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Aditivos Reductores de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Aditivos Reductores de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Reductores de Agua de Medio Rango. . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Reductores de Agua de Alto Rango . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Superplastificantes para Concretos Fluidos . . . . . . . . . . . . 141 Aditivos Retardadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Aditivos de Control de La Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . 144 Aditivos Aceleradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Inhibidores de Corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Aditivos Reductores de Retracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Aditivos Químicos para la Reducción de la Reactividad Álcali-Agregado (Inhibidores de RAS) . . . . . . . . . . . . 146 Aditivos Colorantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Aditivos a Prueba de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Aditivos Impermeabilizantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Auxiliar de Bombeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Aditivos de Adherencia y Agentes de Adherencia . . . . . . 147 Aditivos para lechadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Aditivos Formadores de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Purgador de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Aditivos Fungicida, Germicida e Insecticida . . . . . . . . . . . 148

Capítulo 9 Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Elección de las Características de la Mezcla . . . . . . . . . . . . 185 v


Contenido, continuación Relación entre Resistencia y Relación Agua-Material Cementante . . . . . . . . . . . 185 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Relación Agua-Material Cementante . . . . . . . . . . . . . . . 186 Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Exposición Blanda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Exposición Moderada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Exposición Severa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Revenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Contenido de Agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Contenido y Tipo de Materiales Cementantes . . . . . . . . 192 Aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Proporcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Proporcionamiento a partir de Datos de Campo . . . . . . 194 Proporcionamiento con Mezclas de Prueba . . . . . . . . . . 195 Mediciones y Cálculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Densidad (Masa Unitaria, Peso Volumétrico, Peso Unitario) y Rendimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Volumen Absoluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Ejemplos de Proporcionamiento de Mezcla . . . . . . . . . . . . 197 Ejemplo 1. Método del Volumen (Métrico). . . . . . . . . . . 197 Condiciones and Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Relación Agua-Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Revenimiento (Asentamiento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Contenido de Agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Contenido de Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Contenido de Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Contenido de Adetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Contenido de Agregado Fino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Mezcla de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Ajustes de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Ejemplo 2. Método de Volumen Absoluto (Unidades Pulgada y Libras) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Condiciones y Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Relación Agua-Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Revenimiento (Asentamiento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Aditivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Contenido de Agregado Fino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Mezcla de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Ajustes de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Reductores de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Puzolanas y Escorias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Ejemplo 3. Mezclas de Prueba en Laboratorio Usando el Método PCA de la Relación Agua-Cemento (Métrico) . . . . . . . . . . . . . 204 Condiciones y Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Requisitos de Durabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Requisitos de Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Tamaño del Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Revenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Cantidades de Mezcla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Proporciones de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Ejemplo 4. Mezclas de Prueba en Laboratorio Usando el Método PCA de la Relación Agua-Cemento (Unidades Pulgada-Libra . . . . . . . 206 Condiciones y Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Relación Agua-Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Tamaño del Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Revenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Cantidades de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Proporciones de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Ajustes de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Ejemplo 5. Método del Volumen Absoluto Usando Varios Materiales Cementantes y Aditivos (Métrico). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Condiciones y Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Relación Agua-Material Cementante. . . . . . . . . . . . . . 211 Contenido de Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Revenimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Contenido de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Contenido de Material Cementante. . . . . . . . . . . . . . . 211 Contenido de Agregado Grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Contenido de Adetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Contenido de Agregado Fino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Mezcla de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Concreto para Pequeñas Obras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Revisión del Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

Capítulo 10 Dosificación, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Dosificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Mezclado del Concreto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Mezclado Estacionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Concreto Premezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Concreto Mezclado en Dosificadora Móvil (Mezcladora Continua). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Remezclado del Concreto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Transporte y Manejo del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Retrasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Endurecimiento Prematuro y Secado . . . . . . . . . . . . . 222 vi


Contenido, continuación Segregación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Métodos y Equipos de Transporte y Manejo del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Elección del Mejor Método . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Trabajo en el Nivel del Terreno y Abajo Nivel del Terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Trabajo Superior al Nivel del Terreno . . . . . . . . . . . . . . . 227 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Patrones y Texturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Concreto con Agregado Expuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Acabados Coloridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Pinturas y Recubrimientos Transparentes . . . . . . . . . . . 256 Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Proteja su Cabeza y Ojos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Protección para la Espalda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Proteja su Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Capítulo 11 Colado y Acabado del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Capítulo 12 Curado del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Preparación Antes de la Colocación (Colado) . . . . . . . . . . 229 Depósito del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Colocación de Concreto Bajo el Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Técnicas Especiales de Colocación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Consolidación del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Vibración Interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Vibración Externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Consecuencias de la Vibración Inadecuada . . . . . . . . 236 Losas de Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Preparación de la Subrasante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Subbase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Retardadores de Vapor y Prevención de Problemas de Humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Cimbras (Encofrados) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Protección Contra la Lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Colocación y Esparcido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Nivelación (Enrasado) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Aplanado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Bordeado y Junteado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Emparejado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Alisado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Cepillado (Escobillado) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Curado y Protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Colado sobre el Concreto Endurecido. . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Juntas de Construcción Adherentes al Concreto Estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Preparación del Concreto Endurecido . . . . . . . . . . . . . . 244 Adherencia del Concreto Nuevo con el Concreto Previamente Endurecido . . . . . . . . . . . . . 245 Ejecución de Juntas en Pisos y Muros . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Juntas de Aislamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Juntas de Contracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Juntas de Construcción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Disposición de las Juntas para Pisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Relleno de Juntas de Pisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Pisos sin Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Descimbrado o Desencofrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Parcheado, Limpieza y Acabado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Agujeros, Defectos y Capas Superpuestas . . . . . . . . . . . 251 Curado de Parches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Limpieza de las Superficies de Concreto . . . . . . . . . . . . 252 Acabado de las Superficies Descimbradas . . . . . . . . . . . 253 Acabados Especiales de la Superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Métodos y Materiales de Curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Encharcamiento e Inmersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Rociado o Aspersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Coberturas Húmedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Papel Impermeable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Hojas de Plástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Compuestos de Curado Formadores de Película . . . . . . 265 Curado por Humedad Interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Cimbras Dejadas en su Lugar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Curado a Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Mantas o Cubiertas Aislantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Curado Eléctrico, con Aceite, Microondas y Rayos Infrarrojos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Tiempo y Temperatura de Curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Compuestos Selladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Capítulo 13 Colado en Clima Caluroso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Cuando Tomar Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Efecto de las Altas Temperaturas en el Concreto . . . . . . . . 274 Enfriamiento de las Materiales del Concreto . . . . . . . . . . . 275 Materiales Cementantes Suplementarios . . . . . . . . . . . . . . 278 Preparación Antes del Colado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Transporte, Colado y Acabado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Fisuración por Retracción Plástica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Curado y Protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Calor de Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Capítulo 14 Colado en Clima Frío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Efecto de la Congelación del Concreto Fresco . . . . . . . . . . 285 Desarrollo de Resistencia a Bajas Temperaturas . . . . . . . . 286 Calor de Hidratación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Mezclas Especiales de Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Concreto con Aire Incluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Temperatura del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Temperatura del Concreto al Mezclarse . . . . . . . . . . . . . 289 Temperatura del Agregado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Temperatura del Agua de Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Temperatura del Concreto al Colarse y Mantenerse . . . 291 Enfriamiento Después del Periodo de Protección . . . . . 291 vii


Contenido, continuación Ensayos de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Colado al Nivel del Terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Colado Arriba del Nivel del Terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Recintos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Materiales Aislantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Calentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Duración de la Calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Curado Húmedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Término del Periodo de Calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Remoción de las Cimbras y Reapuntalamiento . . . . . . . . . 301 Concepto de Madurez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

Capítulo 15 Cambios de Volumen del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Cambios de Volumen en Edad Temprana. . . . . . . . . . . . . . 305 Contracción Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Contracción Autógena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Hundimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Contracción Plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Hinchazón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Expansión Térmica Temprana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Cambios de Humedad (Contracción por Secado) del Concreto Endurecido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Efecto de los Ingredientes sobre la Contracción por Secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Efecto del Curado sobre la Contracción por Secado . . . 312 Cambios de Temperatura en el Concreto Endurecido . . . . 313 Temperaturas Bajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Temperaturas Elevadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Alabeo (Combadura) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Deformaciones Elásticas e Inelásticas . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Deformación Unitaria por Compresión . . . . . . . . . . . . . 316 Módulo de Elasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Deflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Coeficiente de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Deformación Unitaria por Cortante . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Deformación Unitaria por Torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Cambios Químicos y Sus Efectos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Carbonatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Ataque de Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Reacciones Álcali-Agregado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

Capítulo 16 Ensayos de Control del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Clases de Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Frecuencia de los Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Ensayos de Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Muestreo de Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Impurezas Orgánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Material Fino Objetable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Granulometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Contenido de Humedad en los Agregados. . . . . . . . . . . 328 viii

Ensayos del Concreto Fresco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Muestreo del Concreto Fresco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Consistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Medición de la Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Densidad y Rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Especimenes para Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Tiempo de Fraguado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Ensayos de Compresión Acelerados para la Proyección de la Resistencia a Edades más Avanzadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Contenido de Cloruros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Contenido de Cemento Portland, Contenido de Agua, Relación Agua-Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Contenido de Material Cementante Suplementario. . . . 336 Sangrado (Exudación) del Concreto . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Ensayos del Concreto Endurecido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Ensayos de Resistencia en el Concreto Endurecido . . . . 337 Evaluación de los Resultados de las Pruebas de Compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Contenido de Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Densidad, Densidad Relativa (Gravedad Específica), Absorción y Vacíos . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Contenido de Cemento Portland . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Contenido de Material Cementante Suplementario y de Aditivo Orgánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Contenido de Cloruros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Análisis Petrográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Cambios de Volumen y de Longitud. . . . . . . . . . . . . . . . 342 Durabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Resistencia a Congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Resistencia a los Sulfatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Reactividad de Álcali-Silice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Reactividad de Álcali-Carbonato. . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Resistencia a la Corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Resistencia a la Abrasión (al desgaste) . . . . . . . . . . . . 344 Ensayo de Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Carbonatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Métodos de Ensayo de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Permeabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Métodos de Ensayos No Destructivos . . . . . . . . . . . . . . 345 Ensayos con Esclerómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Ensayos de Penetración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Ensayos de Madurez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Ensayos de Arranque (Pullout) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Ensayos de Rotura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Ensayos Dinámicos o de Vibración . . . . . . . . . . . . . . . 347 Otros Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Capítulo 17 Concreto de Alto Desempeño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Concreto de Alta Resistencia Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Concreto de Alta Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 Cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360


Contenido, continuación Material Cementante Suplementario. . . . . . . . . . . . . . . . 361 Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Proporcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Colado, Consolidación y Curado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Control de Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 Concreto de Alta Durabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Resistencia a Abrasión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Resistencia a la Explosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Permeabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Carbonatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Control de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Resistencia a Congelación-Deshielo . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Ataque Químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Reactividad Álcali-Silice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Concreto Autocompactante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 ConcretConcreto de Polvo Reactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

Proporciones de la Mezcla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Trabajabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Mezclado y Colocación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Resistividad Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Resistencia a Congelación y Deshielo . . . . . . . . . . . . . . . 381 Contracción por Secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Juntas de Expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Concreto Celular Autoclavado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Concreto de Densidad Elevada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Agregados de Densidad Elevada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Propiedades del Concreto de Densidad Elevada . . . . . . 383 Proporcionamiento, Mezclado y Colocación . . . . . . . . . 383 Concreto Masivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Concreto con Agregado Precolocado . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Concreto Sin Revenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Concreto Compactado con Rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Estructuras de Control de Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Pavimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Suelo-Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Concreto Lanzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Concreto de Contracción Compensada. . . . . . . . . . . . . . . . 390 Concreto Poroso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Concreto Blanco y Concreto Colorido. . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Concreto Blanco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Concreto Colorido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Método de Agitado en Seco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Concreto de Cemento Portland Polimerizado . . . . . . . . . . 392 Ferrocemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Apéndice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Normas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Sinónimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Factores de Conversión para el Sistema Métrico . . . . . . . . 443 Asociaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

Capítulo 18 Concretos Especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Concreto Ligero Estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Agregados Ligeros Estructurales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Resistencia a Compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Aire Incluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Especificaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Trabajabilidad y Facilidad de Acabado. . . . . . . . . . . . . . 377 Revenimiento (Asentamiento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Colocación, Acabado y Curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Concretos Ligeros Aislantes y de Resistencia Moderada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Grupo I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Grupo II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Grupo III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

ix


x


Capítulo 1

Fundamentos del Concreto El concreto (hormigón) es básicamente una mezcla de dos componentes: agregados y pasta. La pasta, compuesta de cemento portland y agua, une los agregados, normalmente arena y grava (piedra triturada piedra machacada, pedrejón), creando una masa similar a una roca. Esto ocurre por el endurecimiento de la pasta en consecuencia de la reacción química del cemento con el agua (Fig. 1-1). Otros materiales cementosos (cementantes) y adiciones minerales se pueden incluir en la pasta*. Generalmente los agregados se dividen en dos grupos: finos y gruesos (áridos). Los agregados finos pueden ser arena natural o artificial (manufacturadas) con partículas de hasta 9.5 mm (3⁄8 pulg.); agregados gruesos son las partículas retenidas en la malla 1.18 mm (tamiz no.16) y pueden llegar hasta 150 mm (6 pulg.). El tamaño máximo del agregado grueso comúnmente empleado es 19 mm o 25 mm (3⁄4 pulg. o 1 pulg.). Un agregado de tamaño interme-

Cemento Agua 15% 18%

Aire 8%

7% 14% 4%

24%

Agreg. Fino 28%

Agreg. Grueso 31%

Mezcla 1 Concreto con aire incluido

51%

Mezcla 2

15%

21%

3%

30%

31%

Mezcla 3

7%

16% 1%

25%

51%

Concreto sin aire incluido

Mezcla 4

Fig. 1-2. Variación de las proporciones usadas en concreto, en volumen absoluto. Las barras 1 y 3 representan mezclas ricas con agregados de pequeño tamaño. Las barras 2 y 4 representan mezclas pobres con agregados gruesos grandes.

dio, cerca de 9.5 mm (3⁄8 pulg.) es, algunas veces, adicionado para mejorar la granulometría general del agregado. La pasta se compone de materiales cementantes, agua y aire atrapado o aire incluido (intencionalmente incorporado). La pasta constituye aproximadamente del 25% hasta 40% del volumen total del concreto. La Figura 1-2 enseña que el volumen absoluto del cemento está normalmente entre 7% y 15% y el volumen del agua está entre 14% y 21%. El contenido de aire atrapado varía del 4% hasta 8% del volumen. Como los agregados constituyen aproximadamente del 60% al 75% del volumen total del concreto, su selección es muy importante. Los agregados deben componerse de partículas con resistencia mecánica adecuada y con resistencia a las condiciones de exposición y no deben contener materiales que puedan causar deterioración del concreto. La granulometría continua de tamaños de partículas es deseable para el uso eficiente de la pasta. A lo largo de este texto, se asumirá que se usan agregados apropiados, a menos que se señale de otra manera.

Fig. 1-1. Componentes del concreto: cemento, agua, agregado fino, agregado grueso, son combinados para formar el concreto. (55361) * El texto está dirigido para la utilización del cemento portland en la producción del concreto. El término “cemento portland” se refiere al cemento hidráulico de silicato de calcio, producido por el calentamiento de los materiales que contienen calcio, silicio, aluminio y hierro. El término “cemento” usado a lo largo del texto se refiere al cemento portland o al cemento adicionado (mezclado o compuesto), a menos que se señale de otra manera. El término materiales cementantes (cementosos) significa cemento portland o cemento adicionado, usados con o sin materiales cementantes suplementarios.

1


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Fig. 1-3. Sección transversal del concreto endurecido, confeccionado con grava arredondeada de silicio (izquierda) y calcáreo triturado (derecha). La pasta de cemento y agua cubre completamente cada partícula de agregado y llena todos los espacios entre las partículas. (1051, 1052)

La calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado y de la unión entre los dos. En un concreto adecuadamente confeccionado, cada y toda partícula de agregado es completamente cubierta por la pasta y todos los espacios entre las partículas de agregados se llenan totalmente con pasta, como se enseña en la Figura 1-3. Para cualquier grupo de materiales y condiciones de curado, la calidad del concreto endurecido es fuertemente influenciada por la cantidad de agua usada con relación a la cantidad de cemento (Fig. 1-4). Cuando grandes cantidades de agua son innecesariamente empleadas, ellas diluyen la pasta de cemento (la cola o pegamento del concreto). Las ventajas de la disminución de la cantidad de agua son: • Aumento de la resistencia a la compresión (resistencia en compresión) y de la resistencia a flexión • Disminución de la permeabilidad, entonces disminución de la absorción y aumento de la estanquidad (hermeticidad)

• Aumento de la resistencia a las intemperies • Mejor unión entre concreto y armadura • Reducción de la retracción (contracción, encogimiento) y de la fisuración (agrietamiento, fisuramiento) • Menores cambios de volumen causado por la mojadura y el secamiento Cuanto menos agua se usa, mejor es la calidad del concreto, si es que la mezcla se puede consolidar adecuadamente. Menores cantidades de agua de mezcla (mezclado) resultan en mezclas más rígidas (secas); pero, con vibración, aún las mezclas más rígidas pueden ser fácilmente colocadas. Por lo tanto, la consolidación por vibración permite una mejoría de la calidad del concreto. Tanto las propiedades del concreto fresco (plástico) como del concreto endurecido se pueden cambiar con la adición al concreto de aditivos químicos, normalmente en la forma líquida, durante la dosificación. Los aditivos químicos comúnmente se emplean para (1) el ajuste del tiempo de fraguado o de endurecimiento, (2) la reducción de la demanda de agua, (3) el aumento de la trabajabilidad (manejabilidad, docilidad), (4) la inclusión intencional de aire y (5) el ajuste de otras propiedades del concreto fresco o endurecido. Después del término del proporcionamiento, dosificación, colocación (hormigonado, puesta, colado), consolidación, acabamiento y curado adecuados, el concreto se endurece, se transforma en un material no-combustible, durable, resistente a la abrasión y impermeable lo cual requiere poca o ninguna conservación (mantenimiento). Además, el concreto es un excelente material de construcción porque se lo puede moldear en una gran variedad de formas, colores y texturas para ser utilizado en un número ilimitado de aplicaciones.

Fig. 1-4. Diez cilindros de pasta de cemento con relaciones agua-cemento de 0.25 a 0.70. La faja indica que cada cilindro contiene la misma cantidad de cemento. El aumento del agua, diluye el efecto de la pasta de cemento, aumentando el volumen, reduciendo el peso específico y disminuyendo la resistencia.

CONCRETO RECIÉN MEZCLADO El concreto recién mezclado (amasado) debe ser plástico o semifluido y generalmente capaz de ser moldeado a mano. Una mezcla de concreto muy húmeda se puede moldear en 2


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto diferentes tipos de colocación requieren diferentes niveles de trabajabilidad. Los factores que influyen en la trabajabilidad del concreto son: (1) el método y la duración del transporte; (2) cantidad y características de los materiales cementantes; (3) consistencia del concreto (asentamiento en cono de Abrams o revenimiento); (4) tamaño, forma y textura superficial de los agregados finos y gruesos; Fig. 1-5. El concreto de buena (5) aire incluido (aire trabajabilidad debería fluir incorporado); (6) cantidad lentamente hacia el lugar, sin de agua; (7) temperatura segregación. (59292) del concreto y del aire y (8) aditivos. La distribución uniforme de las partículas de agregado y la presencia de aire incorporado ayudan considerablemente en el control de la segregación y en la mejoría de la trabajabilidad. La Figura 1-6 enseña el efecto de la temperatura de colocación sobre la consistencia o asentamiento en cono de Abrams y sobre la trabajabilidad potencial de las mezclas. Las propiedades relacionadas con la trabajabilidad incluyen consistencia, segregación, movilidad, bombeabilidad, sangrado (exudación) y facilidad de acabado. La consistencia es considerada una buena indicación de trabajabilidad. El asentamiento en cono de Abrams se usa como medida de la consistencia y de la humedad del concreto. Un concreto de bajo revenimiento tiene una consistencia

el sentido de que puede colarse en el molde o cimbras (encofrado), pero no está dentro de la definición de “plástico” – aquél que es flexible y capaz de ser moldeado de la misma manera que un terrón de arcilla para moldear. En una mezcla plástica de concreto todos los granos de arena y los pedazos de grava o piedra son envueltos y sostenidos en suspensión. Los ingredientes no son propensos a la segregación durante el transporte; y cuando el concreto se endurece, se transforma en una mezcla homogénea de todos los componentes. Durante la colocación, el concreto de consistencia plástica no se desmorona, mas fluye lentamente sin segregarse. En la práctica de la construcción, las piezas o elementos muy delgados de concreto y fuertemente armados (reforzados) requieren mezclas trabajables para facilitar su colocación, pero no con consistencia muy fluida. Es necesaria una mezcla plástica para la resistencia y el mantenimiento de la homogeneidad durante el manejo y la colocación. Como una mezcla plástica es apropiada para la mayoría de las obras en concreto, se pueden usar los aditivos plastificantes (fluidificantes) para que el concreto fluya más fácilmente en elementos delgados y fuertemente reforzados.

Mezclado La Figura 1-1 muestra separadamente los componentes básicos del concreto. Son necesarios esfuerzo y cuidado para que se asegure que la combinación de estos elementos sea homogénea. La secuencia de carga de los ingredientes en la mezcladora (hormigonera) puede desempeñar un papel importante en la uniformidad del producto acabado. La secuencia, sin embargo, puede variar y aún producir un concreto de buena calidad. Las diferentes secuencias requieren ajustes en el momento de la adición del agua, el número total de revoluciones del tambor de la mezcladora y la velocidad de la revolución. El volumen del concreto mezclado en relación con el tamaño del tambor de la mezcladora, el tiempo transcurrido entre el proporcionamiento y el mezclado, y el diseño, configuración y condiciones del tambor y de las paletas de la mezcladora son otros factores importantes en el mezclado. Las mezcladoras aprobadas, correctamente operadas y conservadas garantizan un intercambio de materiales de extremo a extremo a través de la acción del rolado, plegado y amasado del volumen del concreto sobre si mismo mientras que el concreto se mezcla.

32

Temperatura de colocación, OF 52 72 92

8

200

Revenimiento, mm

150

Trabajabilidad La facilidad de colocación, consolidación y acabado del concreto fresco y el grado que resiste a la segregación se llama trabajabilidad. El concreto debe ser trabajable pero los ingredientes no deben separarse durante el transporte y el manoseo (Fig. 1-5). El grado de la trabajabilidad que se requiere para una buena colocación del concreto se controla por los métodos de colocación, tipo de consolidación y tipo de concreto. Los

6

100

4

50

2

0

Revenimiento, pulg.

Cemento A Cemento B

0 0

10 20 30 Temperatura de colocación, OC

40

Fig. 1-6. Efecto de la temperatura de colocación (hormigonado o puesta en obra) en el asentamiento en cono de Abrams (y la trabajabilidad relativa) de dos concretos confeccionados con diferentes cementos. (Burg 1996) 3


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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rígida o seca. Si la consistencia es muy seca y rígida, la colocación y compactación del concreto serán difíciles y las partículas más grandes de agregados pueden separarse de la mezcla. Sin embargo, no debe suponerse que una mezcla más húmeda y fluida es más trabajable. Si la mezcla es muy húmeda, pueden ocurrir segregación y formación de huecos. La consistencia debe ser lo más seca posible para que aún se permita la colocación empleándose los equipos de consolidación disponibles. Véase Powers (1932) y Scanlon (1994).

usado para rellenar vacíos, proporcionar soporte o proporcionar impermeabilidad con una buena adhesión debe presentar bajo sangrado para evitar formación de bolsas de agua. Consulte Powers (1939), Steinour (1945) y Kosmatka (1994).

Consolidación La vibración mueve las partículas del concreto recién mezclado, reduce el rozamiento (fricción) entre ellas y les da la movilidad de un fluido denso. La acción vibratoria permite el uso de mezclas más rígidas con mayores proporciones de agregado grueso y menores proporciones de agregados finos. Si el agregado es bien graduado, cuanto mayor es su tamaño máximo, menor es el volumen para llenarse por la pasta y menor es el área superficial para ser cubierta por la pasta, así menos agua y cemento son necesarios. El concreto con la granulometría óptima del agregado es más fácil de consolidarse y colocarse (Fig. 1-8, izquierda). La consolidación del agregado grueso, bien como de mezclas más rígidas mejoran la calidad y la economía. Por otro lado, la mala consolidación puede resultar en un concreto poroso y débil (Fig. 1-9) con poca durabilidad (Fig. 1-8, derecha).

Sangrado y Asentamiento Sangrado (exudación) es el desarrollo de una camada de agua en el tope o en la superficie del concreto recién colocado. Es causada por la sedimentación (asentamiento) de las partículas sólidas (cemento y agregados) y simultáneamente la subida del agua hacia la superficie (Fig. 1-7). El sangrado es normal y no debería disminuir la calidad del concreto adecuadamente colocado, acabado y curado. Un poco de sangrado es útil en el control de la fisuración por retracción plástica. Por otro lado, la excesiva aumenta la relación agua-cemento cerca de la superficie; puede ocurrir una camada superficial débil y con poca durabilidad, particularmente si se hace el acabado cuando el agua de sangrado aún está presente. Los vacíos y bolsas de agua pueden ocurrir, resultantes del acabado prematuro de la superficie. Después que toda el agua de sangrado (exudación) se evapore, la superficie endurecida va a ser un poco más baja que la superficie recién colocada. Esta disminución de la altura desde el momento de la colocación (puesta, colado) hasta el inicio del fraguado se llama retracción por sedimentación. La tasa de sangrado (exudación) y la capacidad de sangrado (sedimentación total por unidad de peso del concreto original) aumentan con la cantidad inicial de agua, altura del elemento de concreto y presión. El uso de agregados de granulometría adecuada, ciertos aditivos químicos, aire incluido, materiales cementantes suplementarios y cementos más finos reduce el sangrado. El concreto

Fig. 1-8. Una buena consolidación (izquierda) es necesaria para lograrse un concreto denso y durable. Una consolidación pobre (derecha) puede resultar en corrosión temprana de la armadura (refuerzo) y baja resistencia a compresión. (70016, 68806)

Fig. 1-7. Agua de exudación en la superficie del concreto recién colado en la losa. (P29992) 4


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto tación. Cada tipo de cemento portland contiene los mismos cuatro compuestos principales, pero en proporciones diferentes. Cuando se examina el clínker (clinquer) (el producto del horno que se muele para fabricar el cemento portland) al microscopio, la mayoría de sus compuestos individuales se puede identificar y sus cantidades se pueden determinar. Sin embargo, los granos más pequeños no se pueden detectar visualmente. El promedio del diámetro de las partículas de un cemento típico es aproximadamente 15 micrómetros. Si todas las partículas tuviesen este diámetro promedio, el cemento portland contendría aproximadamente 300 billones de partículas por kilogramo, pero en realidad, existen unos 16,000 billones de partículas por kilogramo, debido a la amplia variación del tamaño de las partículas. Las partículas en un kilogramo de cemento portland tienen un área superficial de aproximadamente 400 metros cuadrados. Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen 75% del peso del cemento portland, reaccionan con el agua para formar dos compuestos: hidróxido de calcio y silicato de calcio hidrato (hidrato de silicato de calcio). Este último es, sin duda, el más importante compuesto del concreto. Las propiedades de ingeniería del concreto – fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional – dependen principalmente del silicato de calcio hidratado. Éste es el corazón del concreto. La composición química del silicato de calcio hidratado es un tanto variable, pero contiene cal (CaO) y dióxido de silicio (SiO2) en una proporción de 3 para 2. El área superficial del silicato de calcio hidratado es unos 300 metros cuadrados por gramo. En pastas endurecidas de cemento, el silicato de calcio hidratado forma un vínculo denso entre las otras fases cristalinas y los granos de cemento aún no hidratados; también se adhiere a los granos de arena y a los agregados gruesos, cementándolo todo junto (Copeland y Schulz, 1962). Mientras el concreto se endurece, su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene poros llenos de agua y aire, los cuales no tienen resistencia. La resistencia está en las partes sólidas de la pasta, sobre todo en el silicato de calcio hidratado y en los compuestos cristalinos. Cuanto menos porosa es la pasta de cemento, más resistente es el concreto. Por lo tanto, al mezclarse el concreto, no se debe usar más agua que aquélla estrictamente necesaria para obtenerse un concreto plástico y trabajable. Incluso, la cantidad de agua usada es normalmente mayor que la necesaria para la hidratación completa del cemento. Aproximadamente se necesitan 0.4 gramos de agua por gramo de cemento para la hidratación completa del cemento (Powers 1948 y 1949). Sin embargo, la hidratación completa es rara en los concretos de las obras, debido a una falta de humedad y al largo periodo de tiempo (décadas) que se requiere para obtener la hidratación total.

Reducción en las propiedades del concreto, %

0

Resistencia a flexión

20

Módulo de elasticidad 40

60

80 Resistencia a compresión 100

0

5

10

15

20

25

30

Vacios, %

Fig. 1-9. Efecto de los vacíos, resultantes de la carencia de consolidación, sobre el módulo de elasticidad, resistencia a compresión y resistencia a flexión del concreto.

Fig. 1-10. Concreto con consistencia rígida (bajo asentamiento o bajo revenimiento) en cono de Abrams o cono de revenimiento). (44485)

La vibración mecánica tiene muchas ventajas. Los vibradores permiten una colocación económicamente viable de mezclas que no se pueden consolidar manualmente bajo muchas condiciones. Por ejemplo, la Figura 1-10 presenta un concreto con consistencia rígida (bajo revenimiento). Este concreto se vibró mecánicamente en las cimbras, contiendo armadura poco espaciada. Para una consolidación con vara manual, sería necesaria una consistencia bien más húmeda.

Hidratación, Tiempo de Fraguado y Endurecimiento La calidad de unión (adhesión) de la pasta de cemento portland se debe a las reacciones químicas entre el cemento y el agua, conocidas como hidratación. El cemento portland no es un compuesto químico sencillo, es una mezcla de muchos compuestos. Cuatro de ellos totalizan 90% o más del peso del cemento portland: silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico (alumino ferrito tetracálcico). Además de estos compuestos principales, muchos otros desempeñan un papel importante en el proceso de hidra5


EB201 600

El conocimiento de la cantidad de calor liberado por la hidratación del cemento puede ser útil para el planeamiento de la construcción. En invierno, el calor de hidratación va a ayudar a proteger el concreto contra los daños causados por las temperaturas muy bajas. Sin embargo, el calor puede ser perjudicial, como por ejemplo en estructuras masivas, tales como las presas, pues puede producir temperaturas diferenciales indeseables. El conocimiento de la velocidad de reacción entre el cemento y el agua es importante porque determina el tiempo de fraguado y endurecimiento. La reacción inicial debe ser suficientemente lenta para que haya tiempo para transportar y colocar el concreto. Una vez que el concreto ha sido colocado y acabado, es deseable un endurecimiento rápido. El yeso, que se añade en el molino de cemento cuando al molerse el clínker, actúa como un regulador del fraguado inicial del cemento portland. La finura del cemento, aditivos, cantidad de agua adicionada y temperatura de los materiales en el momento de la mezcla son otros factores que influyen la tasa de hidratación. La Figura 1-11 muestra las propiedades de fraguado de mezclas de concreto en diferentes temperaturas.

23OC (73OF) 5 300

Fraguado final

10OC (50OF)

4

3

200

2 100 1

2

4

6 8 Tiempo, hr

10

12

Resistencia a compresión, kg/cm2

300

4

200 2

91

0 365

Edad del ensayo, días

Fig. 1-12. La resistencia del concreto aumenta con la edad, desde que haya adecuada humedad y temperatura favorable para la hidratación del cemento (Gonnerman y Shuman 1928).

de hidratación. Cuando la humedad relativa dentro del concreto baja para cerca de 80% o la temperatura del concreto baja para menos del cero, la hidratación y el gano de resistencia se interrumpen. La Figura 1-12 enseña la relación entre incremento de resistencia y curado húmedo, mientras que la Figura 1-13 muestra la relación entre el aumento de resistencia y la temperatura del curado. Si se vuelve a saturar el concreto después del periodo de secado (desecación), la hidratación empieza nueva-

500

7000

MPa = 10.2 kg/cm 2

Resistencia a compresión, kg/cm 2

0

6

En ambiente de laboratorio todo el tiempo

0 7 28

Fraguado Inicial 0

400

0

Resistencia a penetración, 1000 lb/pulg 2

Resistencia a penetración, kg/cm 2

6 MPa = 10.2 kg/cm 2

Al aire después de 28 días de curado húmedo Al aire después de 7 días de curado húmedo

MPa = 10.2 kg/cm2

ASTM C 403 (AASHTO T 22)

400

500

100

7

Curado a 32OC (90OF)

8

Curado húmedo todo el tiempo

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg2

0 14

Fig. 1-11. Tiempo de inicio y fin de fraguado para una mezcla de concreto en diferentes temperaturas (Burg 1996).

CONCRETO ENDURECIDO

6000

400

5000 300

4000 3000

200

Temperatura de colocación/curado, °C (°F) 10/10 (50/50)

2000

23/10 (73/50)

100

23/23 (73/73)

Curado

Resistencia a compresión, lb/pulg2

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

1000

32/32 (90/90)

El aumento de la resistencia con la edad continúa desde que (1) el cemento no hidratado aún esté presente, (2) el concreto permanezca húmedo o la humedad relativa del aire esté arriba de aproximadamente 80% (Powers 1948), (3) la temperatura del concreto permanezca favorable y (4) haya suficiente espacio para la formación de los productos

0

0 0

10

20

30

Edad, días

Fig. 1-13. Efecto de la temperatura de colocación y de curado sobre el desarrollo de la resistencia. Observe que las temperaturas más frías resultan en resistencias tempranas menores y resistencias mayores a altas edades. 6


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto MPa = 10.2 kg/cm2

14000

a/c = 0.53 a/c = 0.71

800

12000 10000

600

8000 6000

400

4000

200

0

Exposición externa - Skokie, Illinois Cubos modificados de 150-mm (6 pulg) Cemento tipo I ASTM

3d

7d

28d 3m 1y 3y 5y 10y 20y Edad del ensayo

2000

Un buen ejemplo de esto es la superficie de los pisos en concreto que no tuvo suficiente curado húmedo. Como se ha secado rápidamente, el concreto en la superficie es flaco y el tráfico en él crea polvo. Así también, al secarse, el concreto se retrae por la pérdida de agua (Fig. 1-15), de la misma manera que ocurre con la madera y la arcilla (pero no tanto). La retracción por secado es la principal causa de fisuración y el ancho de las fisuras (grietas, rajaduras) es función del grado de desecación, espaciamiento y frecuencia de las fisuras y edad del aparecimiento de las fisuras.

0

100 Humedad relativa, porcentaje

a/c = 0.40

Resistencia a compresión, lb/pulg 2

Resistencia a compresión, kg/cm 2

1000

Fig. 1-14. Desarrollo de la resistencia del concreto a lo largo del tiempo de exposición al aire libre. El concreto continúa a desarrollar resistencia por muchos años siempre que la humedad sea fornecida por la lluvia u otras fuentes medioambientales (Wood 1992).

mente y la resistencia vuelve a aumentar. Sin embargo, es mucho mejor que el curado húmedo sea aplicado continuamente desde el momento de la colocación hasta que el concreto haya alcanzado la calidad deseada; una vez que el concreto se haya secado completamente, es muy difícil volver a saturarlo. La Figura 1-14 ilustra el aumento de resistencia de un concreto expuesto al aire libre por un periodo largo de tiempo. La exposición al aire libre normalmente proporciona humedad a través del contacto con el suelo y la lluvia. Los concretos en ambientes internos normalmente secan completamente después del curado y no continúan a desarrollar resistencia (Fig. 1-12).

Contenido de cemento: 270 kg/m 3 (454 lb/yd 3 ) Concreto de densidad normal Relación a/c: 0.66

90

profundidad 75 mm (3 pulg.) 80

45 (13/4) 20 (3/4) 6 (1/4)

70 60 50

Contracción, millonésimos

800

600

400

200 Concreto de densidad normal

Velocidad de Secado del Concreto

0

El concreto no se endurece o se cura con el secado. El concreto (o más precisamente el cemento en él) necesita de humedad para hidratarse y endurecerse. Cuando el concreto se seca, la resistencia para de crecer; el hecho es que el secado no indica que haya ocurrido suficiente hidratación para que se obtengan las propiedades físicas deseables. El conocimiento de la velocidad de desecación (tasa de secado) es útil para el entendimiento de las propiedades o condiciones físicas del concreto. Por ejemplo, como mencionado, el concreto necesita tener suficiente humedad durante el periodo de curado para que el concreto se hidrate hasta que se puedan lograr las propiedades deseables. Los concretos recién colocados normalmente tienen abundancia de agua, pero a medida que el secado progresa de la superficie para el interior del concreto, el aumento de resistencia continúa solo hasta cada profundidad, desde que la humedad relativa en aquella profundidad permanezca arriba de los 80%.

Pérdida de masa, kg

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Concreto de densidad normal

0 0

75

150 225 300 Tiempo de secado, días

375

Fig. 1-15. Distribución de la humedad relativa, retracción (contracción, encogimiento) por secado (desecación) y pérdida de masa de cilindros de 150 x 300-mm (6 x 12-pulg.) sometidos a curado húmedo por 7 días y posteriormente a desecación al aire del laboratorio a 23°C (73°F) (Hanson 1968).

7


EB201

Porcentaje de la resistencia a los 28 días

Mientras que la superficie del elemento de concreto se seca rápidamente, mucho más tiempo es necesario para el secado de su interior. La Figura 1-15 (superior) muestra la tasa de secado en varias profundidades en cilindros de concreto expuestos al ambiente de laboratorio. Los miembros de concreto en el campo tendrían perfiles de desecación distintos debido a las condiciones ambientales, los efectos del tamaño y las propiedades del concreto. La cantidad de humedad en el concreto depende de sus componentes, cantidad original de agua, condiciones de secado y el tamaño del miembro de concreto (Hedenblad 1997 y 1998). Después de varios meses de secado al aire con humedad relativa del 50% al 90%, la cantidad de humedad es cerca del 1% al 2% del peso del concreto. La Figura 1-15 enseña la pérdida de humedad y la contracción resultante. El tamaño y la forma de los miembros de concreto desempeñan un papel importante en la velocidad de secado. Los elementos con área superficial grande con relación a su volumen (como en los pisos) se secan mucho más rápidamente que los miembros con gran volumen de concreto y relativamente pequeñas áreas superficiales (como en los estribos de los puentes). Muchas otras propiedades del concreto endurecido también son afectadas por la cantidad de humedad, tales como elasticidad, fluencia (flujo plástico, deformación deferida), valor de aislamiento, resistencia al fuego, resistencia a abrasión, conductividad eléctrica, resistencia al congelamiento (congelación), resistencia al descascaramiento (descascarillado, astilladura, desonchadura, despostilladura, engalletamiento y desmoronamiento) y resistencia a reactividad álcali-agregado.

180 160 140

28 días

120 100 80 60 40 Cilindros de concreto

20 0 1

10

100 Edad, días

1000

10000

Fig. 1-16. Desarrollo de la resistencia a compresión de varios concretos, expreso como porcentaje de la resistencia a los 28 días (Lange 1994).

La correspondencia entre resistencia y la relación aguacemento ha sido estudiada desde el final del siglo XIX y principio del siglo XX (Feret 1897 y Abrams 1918). La Figura 1-17 presenta las resistencias a compresión para una gran variedad de mezclas de concreto y relaciones aguacemento a los 28 días de edad. Observe que las resistencias aumentan con la disminución de la relación agua-cemento. Estos factores también afectan la resistencia a flexión y la tracción y la adherencia entre concreto y acero. La correspondencia entre relación agua-cemento y resistencia a compresión en la Figura 1-17 son valores típicos para concretos sin aire incluido. Cuando valores más precisos son necesarios, se deben desarrollar gráficos para materiales y proporciones de mezcla específicos para que sean usados en la obra.

Resistencia La resistencia a compresión se puede definir como la medida máxima de la resistencia a carga axial de especimenes de concreto. Normalmente, se expresa en kilogramos por centímetros cuadrados (kg/cm 2), megapascales (MPa) o en libras por pulgadas cuadradas (lb/pulg2 o psi) a una edad de 28 días. Un megapascal equivale a la fuerza de un newton por milímetro cuadrado (N/mm 2) o 10.2 kilogramos-fuerza por centímetro cuadrado. Se pueden usar otras edades para las pruebas, pero es importante saber la relación entre la resistencia a los 28 días y la resistencia en otras edades. La resistencia a los 7 días normalmente se estima como 75% de la resistencia a los 28 días y las resistencias a los 56 y 90 días son aproximadamente 10% y 15% mayores que la resistencia a los 28 días, como se puede observar en la Figura 1-16. La resistencia a compresión especificada se designa con el símbolo ˘ y la resistencia a compresión real del concreto ¯ debe excederla. La resistencia a compresión que el concreto logra, ¯, es función de la relación agua-cemento (o relación agua-materiales cementantes), cuanto la hidratación ha progresado, el curado, las condiciones ambientales y la edad del concreto.

Resistencia a compresión, kg/cm2

800

MPa = 10.2 kg/cm 2

700

Resistencia a los 28 días Cilindros curados húmedos

600

10000 8000

500 6000

400 300

4000

200 2000 100 0 0.25

0.35

0.45 0.55 0.65 Relación agua-cemento

0.75

Resistencia a compresión, lb/pulg2

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

0 0.85

Fig. 1-17. Variación de resistencias típicas para relaciones agua-cemento de concreto de cemento portland basadas en más de 100 diferentes mezclas de concreto moldeadas entre 1985 y 1999.

8


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto pulgadas cuadradas). Wood (1992) presenta la relación entre resistencia a flexión y resistencia a compresión para concretos expuestos a curado húmedo, curado al aire y exposición al aire libre. La resistencia a la tensión (resistencia a tracción, resistencia en tracción) directa del concreto es aproximadamente de 8% a 12% de la resistencia a compresión y se estima normalmente como siendo de 0.4 a 0.7 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales o de 1.3 a 2.2 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cúbicos (5 a 7.5 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por pulgada cuadrada).La resistencia a esfuerzos por cisallamiento (cortante, corte o cizalladura) es del 8% al 14% de la resistencia a compresión (Hanson 1968). La resistencia a tensión por cisallamiento en función del tiempo es presentada por Lange (1994). La resistencia a torsión en el concreto está relacionada con el módulo de ruptura y las dimensiones de los miembros de concreto. Hsu (1968) presenta correlaciones para la resistencia a torsión. Las correlaciones entre resistencia al cortante y resistencia a compresión se discuten en el ACI 318 código de construcción. La correlación entre resistencia a compresión y resistencia a flexión, tensión, torsión y cortante varía con los componentes del concreto y el medio ambiente. El módulo de elasticidad, denotado por el símbolo E, se puede definir como la razón entre el esfuerzo normal a una deformación correspondiente para el esfuerzo de tensión o compresión abajo del límite de proporcionalidad del material. En concretos de peso normal, el E varía de 140,000 a 420,000 kg/cm2 o de 14,000 a 41,000 MPa (2 a 6 millones de lb/pulg2) y puede ser aproximado a 15,500 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cuadrados o 5,000 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales (57,000 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por pulgada cuadrada). Como en otras relaciones de resistencia, la relación entre el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión es específica para una mezcla de ingredientes y se la debe verificar en el laboratorio (Word 1992).

Para una cierta trabajabilidad y un contenido de cemento, el concreto con aire incluido (incorporado) requiere menos agua de mezclado (amasamiento) que un concreto sin aire incluido. La posibilidad de empleo de relaciones agua-cemento menores en el concreto con aire incluido compensa las resistencias menores en estos concretos, especialmente en mezclas pobres o con medio contenido de cemento. La determinación de la resistencia a compresión se da a través de ensayos (experimentación, prueba) en probetas (muestras de prueba, muestras de ensayo, especimenes) de concreto o mortero. En los EE.UU., a menos que especificado de manera diferente, los ensayos en mortero se hacen en cubos de 50 mm (2 pulg.), mientras que los ensayos en concreto se realizan en cilindros de 150 mm (6 pulg.) de diámetro y 300 mm (12 pulg.) de altura (Fig. 1-18). Cilindros menores 100 x 200 mm (4 x 8 pulg.) también se pueden usar para el concreto. La resistencia a compresión es una propiedad principalmente física y frecuentemente usada en los cálculos para diseño de puentes, edificios y otras estructuras. Los concretos para uso general tienen una resistencia a compresión entre 200 y 400 kg/cm2 o 20 y 40 MPa (3000 y 6000 lb/pulg2). Concretos con resistencias a compresión de 700 y 1400 kg/cm2 o 70 a 140 MPa (10,000 a 20,000 lb/pulg2) han sido empleados en puentes especiales y edificios altos. La resistencia a flexión o el módulo de ruptura (rotura) se usa en el diseño de pavimentos u otras losas (pisos, placas) sobre el terreno. La resistencia a compresión, la cual es más fácil de ser medida que la resistencia a flexión, se puede usar como un índice de resistencia a flexión, una vez que la relación empírica entre ambas ha sido establecida para los materiales y los tamaños de los elementos involucrados. La resistencia a flexión de concretos de peso normal es normalmente de 0.7 a 0.8 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales o de 1.99 a 2.65 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cuadrados (7.5 a 10 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por

Peso Unitario (densidad) El concreto convencional, normalmente usado en pavimentos, edificios y otras estructuras, tiene un peso específico (densidad, peso volumétrico, masa unitaria) que varía de 2200 hasta 2400 kg/m3 (137 hasta 150 libras/piés3). La densidad del concreto varía dependiendo de la cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado (ocluido) o intencionalmente incluido y las cantidades de agua y cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agegado influye en las cantidades de agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de agregado), se aumenta la densidad. Algunos valores de

Fig. 1-18. Ensayo a compresión de cilindro de concreto de 150 x 300-mm (6 x 12-pulg.). La carga en el ensayo es registrada en la carátula. (68959) 9


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 1-1. Promedio de las Densidades Observadas para el Concreto Fresco (unidades del SI)* Densidad, kg/m3 **

Tamaño máximo del agregado, mm

Contenido de aire, porcentaje

Agua, kg/m3

Cemento, kg/m3

2.55

2.60

2.65

2.70

2.75

19 37.5 75

6.0 4.5 3.5

168 145 121

336 291 242

2194 2259 2307

2227 2291 2355

2259 2339 2387

2291 2371 2435

2323 2403 2467

Gravedad específica del agregado†

* Fuente: Bureau of Reclamation, 1981, Tabla 4. ** Concreto con aire incluido, con la cantidad de aire indicada. † En condición saturada, con superficie seca. Multiplique la densidad relativa del agregado por 1000 para obtenerse la densidad de las partículas de agregado en kg/m3.

Tabla 1-1. Promedio de las Densidades Observadas para el Concreto Fresco (unidades en pulgadas-libras)* Densidad, lb/pies3 **

Tamaño máximo del agregado, pulgadas

Contenido de aire, porcentaje

Agua, lb/yd 3

Cemento, lb/yd 3

2.55

2.60

2.65

2.70

2.75

⁄4 11⁄2 3

6.0 4.5 3.5

283 245 204

566 490 408

137 141 144

139 143 147

141 146 149

143 148 152

145 150 154

3

Gravedad específica del agregado†

* Fuente: Bureau of Reclamation, 1981, Tabla 4. ** Concreto con aire incluido, con la cantidad de aire indicada. † En condición saturada, con superficie seca. Multiplique la densidad relativa del agregado por 62.4 para obtenerse la densidad de las partículas de agregado en libras por yardas cúbicas.

densidad para el concreto fresco se presentan en la Tabla 1-1. En el diseño del concreto armado (reforzado), el peso unitario de la combinación del concreto con la armadura normalmente se considera 2400 kg/m3 (150 libras/piés3). El peso del concreto seco es igual al peso de los ingredientes del concreto fresco menos el peso del agua de mezclado evaporable. Parte del agua de la mezcla combina químicamente con el cemento durante el proceso de hidratación, transformando el cemento en un gel de cemento. Además, parte del agua permanece fuertemente retenida en los poros y en los capilares y no se evapora bajo las condiciones normales. La cantidad del agua de mezclado que se evaporará del concreto expuesto en un medio ambiente con humedad relativa del 50% es cerca del 1⁄ 2% al 3% del peso del concreto; la cantidad real depende del contenido inicial de agua, de las características de absorción de los agregados y del tamaño y forma de los miembros del concreto. Aparte del concreto convencional, hay una gran cantidad de concretos especiales para atender a las más variadas necesidades, los cuales varían de concretos aislantes ligeros (livianos) con densidad de 240 kg/m3 (15 libras por yardas cúbicas) hasta los concretos pesados con pesos unitarios de 6000 kg/m3 (375 libras por yardas cúbicas), usados como contrapesos o blindajes contra radiación.

Permeabilidad y Estanquidad El concreto usado en estructuras de retención de agua o expuestas a condiciones del tiempo u otras condiciones severas de exposición deben ser casi impermeables o estancas. La estanquidad (hermeticidad) es normalmente conocida como la habilidad del concreto en retener el agua sin escurrimiento o escape visible. La permeabilidad es la cantidad de agua que migra a través del concreto, mientras que el agua está bajo presión o la habilidad del concreto en resistir a la penetración del agua u otra sustancia (líquidos, gases o iones). Generalmente, la misma propiedad que hace el concreto menos permeable también lo hace más estanco. La permeabilidad total del concreto al agua es función de: (1) la permeabilidad de la pasta; (2) la permeabilidad y la granulometría del agregado; (3) la calidad de la pasta y de la zona de transición del agregado y (4) la proporción relativa de pasta y agregado. La disminución de la permeabilidad aumenta la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto, resaturación, penetración de sulfatos y de iones cloruro y otros ataques químicos. La permeabilidad de la pasta es particularmente importante pues la pasta cubre todos los componentes en el concreto. La permeabilidad es afectada por la relación agua-cemento, grado de hidratación del cemento y periodo del curado húmedo. Un concreto de baja permeabilidad 10


requiere una relación agua-cemento baja y un periodo de curado adecuado. El aire incluido ayuda la estanquidad, pero tiene poco efecto sobre la permeabilidad. La permeabilidad aumenta con el secado. La permeabilidad de una pasta de cemento endurecida, mantenida continuadamente húmeda, varía de 0.1 x 10-12 hasta 120 x 10 -12 cm por segundo, con relaciones aguacemento que varían de 0.3 hasta 0.7 (Powers y otros 1954). La permeabilidad de la roca comúnmente usada como agregado para concreto varía de aproximadamente 1.7 x 10 -9 hasta 3.5 x 10-13 cm por segundo. La permeabilidad de un concreto maduro, de buena calidad es aproximadamente 1 x 10 -10 cm por segundo. En la Figura 1-19 se enseña la dependencia entre permeabilidad, relación agua-cemento y curado inicial de cilindros de concreto con 100 x 200 (4 x 8 pulgadas), ensayados después de 90 días de secado al aire y sujetos a 200 kg/cm2 o 20 MPa (3000 lb/pulg2) de presión. A pesar de que los valores de permeabilidad serían diferentes para otros líquidos y gases, la dependencia entre relación aguacemento, periodo de curado y permeabilidad sería similar. La Figura 1-20 presenta los resultados obtenidos de las pruebas sometiéndose discos de mortero sin aire incluido con 25 mm (1 pulg.) de espesor a 1.4 kg/cm2 o 140 kPa (20 lb/pulg2) de presión de agua. En estos ensayos, no hubo escurrimiento a través de los discos de mortero con relación agua-cemento de 0.50 o menor, los cuales fueron curados con humedad por siete días. Cuando el escurrimiento ocurrió, fue mayor en los discos de mortero con relaciones agua-cemento mayores. También, para cada relación agua-cemento, el escurrimiento fue menor para

12.5

10.0

2.0

1.5 relación a/c: 0.80

5.0

1.0

relación a/c: 0.64

2.5

0.5

relación a/c: 0.50

0.0

0.0 0 7 14 21 28 Periodo de curado húmedo y edad del ensayo, días

periodos de curado mayores. En los discos con relación agua-cemento de 0.80, el mortero permitía escurrimiento incluso cuando el concreto había sido curado con humedad por un mes. Los resultados muestran claramente que baja relación agua-cemento y periodo de curado húmedo adecuado reducen grandemente la permeabilidad. La Figura 1-21 ilustra el efecto de diferentes relaciones agua-cemento sobre la resistencia del concreto a la penetración de los iones de cloruro, como indicado por conductancia eléctrica. La carga total en coulombs ha sido considerablemente reducida con una baja relación aguacemento. Los resultados también muestran que una carga más baja pasó cuando el concreto contenía mayor cantidad de aire incluido.

Concreto sin aire incluido Probetas: cilindros 100 x 200-mm (4 x 8 pulg.) Presión del agua: 20 MPa (3000 lb/pulg.2 ) Curado:

4000

30

1 día de curado húmedo, 90 días de curado al aire Carga acumulada, coulombs

Permeabilidad hidráulica, cm/seg x 10 -10

7.5

2.5

Fig. 1-20. Efecto de la relación agua-cemento y duración del curado sobre la permeabilidad del mortero. Observe que hay una disminución del escurrimiento con la reducción de la relación agua-cemento y con el aumento del periodo de curado (McMillian y Lyse 1929 y PCA Major Series 227).

50

40

Concreto sin aire incluido Probetas: discos de mortero 25 x 150 mm (1 x 6 pulg.) Presión: 1.4 kg/cm 2 140 kPa (20 lb/pulg 2 )

Escurrimiento, lb/pies2 por hora

Escurrimiento kg/(m2.h) , promedio para 48 horas

Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto

7 días de curado húmedo, 90 días de curado al aire 20

10

0 0.3

0.4

0.5 0.6 0.7 Relación agua-cemento, en masa

0.8

Contenido de aire 2% 4% 6%

3000

2000

1000 ASTM C 1202 0 0.2

Fig. 1-19. Relación entre permeabilidad al agua, relación agua-cemento y curado inicial de la probeta de concreto (Whiting 1989).

0.3 0.4 Relación agua-cemento

0.5

Fig. 1-21. Carga total en el final del ensayo acelerado de permeabilidad a los cloruros en función de la relación aguacemento (Pinto y Hover 2001).

11


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Una baja relación agua-cemento también reduce la segregación y el sangrado (exudación), además de contribuir para la estanquidad. Evidentemente, el concreto estanco no debe tener fisuras, huecos y vacíos visibles grandes. Ocasionalmente, el concreto poroso– concreto sin finos que permite el pasaje del agua – se diseña para aplicaciones especiales. En estos concretos, la cantidad de agregado fino es muy reducida o eliminada completamente, produciendo un gran volumen de vacíos de aire. El concreto poroso ha sido usado en pistas (canchas) de tenis, pavimentos, aparcamientos, invernaderos y estructuras de drenaje. El concreto poroso también ha sido empleado en edificios debido a sus propiedades de aislamiento térmico.

la superficie o el tratamiento usado también tienen gran influencia sobre la resistencia a abrasión. Un agregado duro es más resistente a abrasión que un agregado más blando y una superficie acabada con llana de metal resiste mejor al desgaste que una superficie que no ha sido alisada. La Figura 1-22 muestra los resultados de ensayos de resistencia a abrasión en concretos con diferentes resistencias a compresión y diferentes tipos de agregados. La Figura 1-23 ilustra el efecto en la resistencia a abrasión del 120

Tiempo, minutos

Resistencia a Abrasión Los pisos, pavimentos y estructuras hidráulicas son expuestos a abrasión o al desgaste, por lo que en estas aplicaciones el concreto necesita tener alta resistencia a abrasión. Los resultados de los ensayos indican que la resistencia a abrasión está fuertemente relacionada con la resistencia a compresión del concreto. Un concreto con mayor resistencia a compresión tiene más resistencia a abrasión que el concreto con menor resistencia a compresión. Como la resistencia a compresión depende de la relación agua-cemento y curado, una relación aguacemento baja y el curado adecuado se hacen necesarios para la resistencia a abrasión. El tipo de agregado y el acabado de

3

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg 2 4 5 6 7 8 9

Capa superior de basalto

100

Tratamiento superficial con basalto Tratamiento superficial con agregado metálico

80 60 40

Losa monolítica 20

Ensayo de abrasión con ruedas

0 0

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Profundidad de abrasión, mm

Fig. 1-23. Efecto del alisamiento y del tratamiento de la superficie sobre la resistencia a abrasión del concreto (ASTM C 779). La resistencia a compresión de la losa de la base era de 40 MPa (6000 lb/pulg2) a los 28 días. Todas las losas fueron alisadas con llanas de acero (Brinkerhoff 1970).

10

Pérdida por abrasión-erosión, porcentaje en masa

10

8

6

4

2

0 200

Tipo de agregado Caliza Cuarcita Basalto Calcedonia 300

400

500

600

700

Resistencia a compresión, kg/cm 2

Fig. 1-24. Aparato de prueba para medir la resistencia a abrasión del concreto. La máquina se puede ajustar para el uso de ambos discos o ruedas de afilar. En una máquina diferente, las pelotas de acero bajo presión se rodan encima de la superficie de la probeta. Los ensayos se describen en la ASTM C 779. (44015)

Fig. 1-22. Efecto de la resistencia a compresión y del tipo de agregado sobre la resistencia a abrasión del concreto (ASTM C 1138). El concreto de alta resistencia confeccionado con agregado duro es bastante resistente a abrasión (Liu 1981). 12


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto causa agrietamiento. Otras fuentes de restricción son la armadura embebida en el concreto, las partes de la estructura interconectadas entre sí y el atrito (fricción) de la subrasante en la cual el concreto es colocado.

alisamiento con llana de metal y de los tratamientos de la superficie, tales como los endurecedores de superficie de agregado metálicos o minerales. Los ensayos de abrasión se pueden realizar por la rotación de pelotas de acero, ruedas de afilar o discos bajo presión sobre la superficie (ASTM C 779). Uno de los aparatos de ensayo se presenta en la Figura 1-24. Otros tipos de ensayos de abrasión también están disponibles (ASTM C 418 y C 944 y NMX-C-196, NTP 400.019, UNIT-NM 51).

Juntas. Las juntas son el método más eficiente para el control de las fisuras. Si no se permite el movimiento del concreto (muros, losas, pavimentos) a través de juntas adecuadamente espaciadas para que la contracción por secado y la retracción por temperatura sean acomodadas, la formación de fisuras aleatorias va a ocurrir. Juntas de contracción (juntas de control de retracción) son ranuradas, formadas o serradas en los paseos (calzadas, caminos, andenes, veredas), pavimentos, pisos y muros para que el agrietamiento ocurra en estas juntas y no de manera aleatoria. Las juntas de contracción permiten el movimiento en el plano de la losa o del muro. Estas juntas se extienden hasta una profundidad aproximada de 1⁄4 del espesor del concreto. Juntas de aislamiento separan una parte del concreto de otras partes de la estructura y permiten movimientos horizontales y verticales. Estas juntas deben ser usadas en la unión de pisos con muros, columnas, bases y otros puntos donde pueda ocurrir restricción. Estas juntas se extienden por todo el espesor de la losa y deben incluir relleno premoldeado de junta. Las juntas de construcción ocurren donde se ha concluido la jornada de trabajo; estas juntas separan áreas en el concreto coladas en diferentes días. En las losas sobre el terreno, las juntas de construcción normalmente se alinean con las juntas de aislamiento y tienen también esta función. Las juntas pueden necesitar de armadura para la transferencia de carga.

Estabilidad de Volumen y Control de Fisuración (agrietamiento) El concreto endurecido cambia de volumen con los cambios de temperatura, humedad y tensiones. Este cambio de volumen o de longitud puede variar del 0.01% al 0.08%. Los cambios de volumen por temperatura en el concreto endurecido son similares a los de acero. El concreto bajo tensión se deforma elásticamente. Si se mantiene la tensión (esfuerzo), va a ocurrir una deformación adicional llamada fluencia (deformación diferida, flujo plástico). La tasa de la fluencia (deformación por unidad de tiempo) disminuye con el tiempo. El concreto mantenido continuadamente húmedo se expande (dilata) ligeramente. Pero cuando se permite su secado, el concreto se retrae. El factor que más influye en la magnitud de la contracción por secado es el contenido de agua en el concreto recién mezclado. La retracción por secado aumenta directamente con el aumento del contenido de agua. La magnitud de la contracción también depende de muchos otros factores, tales como: (1) la cantidad de agregado usado; (2) propiedades del agregado; (3) el tamaño y la forma del miembro de concreto; (4) la humedad relativa y la temperatura del medio ambiente; (5) el método de curado; (6) el grado de hidratación y (7) tiempo. Las dos causas básicas de la fisuración en el concreto son: (1) las tensiones por la aplicación de carga y (2) las tensiones resultantes de la contracción por secado o cambios de la temperatura cuando el concreto tiene alguna restricción (coacción, sujeción, fijeza). La contracción por desecación es una propiedad inherente del concreto y que no se puede evitar, pero se usa la armadura adecuadamente posicionada para reducirse el largor de las grietas o entonces se usan juntas para predeterminar y controlar la localización de las fisuras. Las tensiones térmicas debidas a fluctuaciones de la temperatura del medio ambiente también causan agrietamiento, particularmente a edades tempranas. Las grietas (fisuras) por retracción en el concreto pueden ocurrir por la restricción. Cuando la contracción por secado ocurre y no hay sujeción, el concreto no se fisura. La restricción se puede causar por varios factores. La contracción por secado es normalmente mayor cerca de la superficie del concreto; la humedad de las partes más internas restringe el concreto más cerca de la superficie, lo que

DURABILIDAD La durabilidad del concreto se puede definir como la habilidad del concreto en resistir a la acción del ambiente, al ataque químico y a la abrasión, manteniendo sus propiedades de ingeniería. Los diferentes tipos de concreto necesitan de diferentes durabilidades, dependiendo de la exposición del ambiente y de las propiedades deseables. Los componentes del concreto, la proporción de éstos, la interacción entre los mismos y los métodos de colocación y curado determinan la durabilidad final y la vida útil del concreto.

Resistencia al Congelamiento y Deshielo Se espera que el concreto empleado en estructuras y pavimentos tenga una vida larga y poco mantenimiento. El concreto debe tener una buena durabilidad para resistir a condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo potencialmente más destructivo es la congelación y deshielo (hielo-deshielo) mientras el concreto está húmedo, principalmente en la presencia de anticongelantes (descongelantes). El deterioro es causado por la congelación del agua y su posterior expansión en la pasta, agregado o ambos. 13


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Ciclos de congelación-deshielo para 25% de pérdida en masa

6000

Fig. 1-25. El concreto con aire incluido (barra de abajo) es muy resistente a ciclos repetidos de congelamiento y deshielo. (P25542)

Con el empleo de aire incluido, el concreto es altamente resistente a este tipo de deterioración, como se puede observar en la Figura 1-25. Durante la congelación, el agua desplazada por la formación de hielo en la pasta se acomoda, no siendo perjudicial; las burbujas microscópicas de aire en la pasta ofrecen cámaras para que el agua entre y entonces alivíese la presión hidráulica generada. Cuando la congelación ocurre en el concreto que contiene agregado saturado, presiones hidráulicas perjudiciales se pueden crear también en el agregado. El agua, desplazada de las partículas de agregado durante la formación del hielo, no se puede escapar hacia la pasta circundante suficientemente rápido para el alivio de presión. Sin embargo, para la mayoría de las condiciones de exposición, una pasta de buena calidad (baja relación agua-cemento) va a prevenir la saturación de la mayoría de los agregados. Si la pasta contiene aire incluido, ella va a acomodar la pequeña cantidad de agua en exceso que se pueda expeler de los agregados, protegiendo así el concreto contra el daño del congelamiento y deshielo. La Figura 1-26 enseña, para una serie de relaciones agua-cemento, que (1) el concreto con aire incluido es más resistente a los ciclos de congelamiento y deshielo que un concreto sin aire incluido, (2) el concreto con baja relación agua-cemento es más durable que un concreto con alta relación agua-cemento y (3) un periodo de secado antes de la exposición a la congelación y deshielo beneficia grandemente la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto con aire incluido. El concreto con aire incluido y baja relación agua-cemento, con un contenido de aire del 5% al 8% va a resistir a un gran número de ciclos de congelación y deshielo sin presentar fallas. La durabilidad al congelamiento y deshielo se puede determinar a través de ensayos de laboratorio como la ASTM C 666, Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing (AASHTO 161) (Norma de

5000

14 días de curado con niebla 76 días de secado a 50% HR

4000

Concreto con aire incluido

3000

Concreto sin aire incluido

2000

1000

0 4000

3000

28 días de curado con niebla sin periodo de secado

2000

1000

0 0.3

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Relación agua-cemento, en masa

0.9

Fig. 1-26. Relación entre la resistencia al congelamiento y deshielo, relación agua-cemento y desecación de concretos con aire incluido y concretos sin aire incluido, confeccionados con cemento tipo 1 (ASTM). La alta resistencia a congelamiento y deshielo es asociado al aire incluido, baja relación agua-cemento y desecación antes de la exposición al congelamiento y deshielo (Backstrom y otros 1955).

método de ensayo acelerado para la resistencia a congelamiento y deshielo), IRAM 1661 (Hormigones. Método de ensayo de resistencia a la congelación en aire y deshielo en agua), NCh2185 of 1992 (Hormigón y mortero - Método de ensayo – Determinación de la resistencia a la congelación y el deshielo) y NMX-C-205-79 (Determinación de la resistencia del concreto a la congelación y deshielo acelerados). A través del ensayo de la ASTM se calcula un factor de durabilidad que refleja el número de ciclos de congelación y deshielo necesario para producir una cierta cantidad de deterioro. La resistencia al descascaramiento por anticongelantes puede ser determinada por la ASTM C 672, Norma de método de ensayo para resistencia al descascaramiento de superficies de concreto expuestas a anticongelantes (Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exponed to Deicing Chemicals). 14


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto 0.7

Reactividad Álcali-Agregado La reactividad álcali-agregado es un tipo de deterioro que ocurre cuando los constituyentes minerales activos de algunos agregados reaccionan con los hidróxidos de álcalis en el concreto. La reactividad es potencialmente peligrosa sólo cuando produce expansión considerable. La reactividad álcali-agregado ocurre de dos formas – reacción álcalisílice (RAS) y reacción álcali-carbonato (RAC). La reacción álcali-sílice es más preocupante que la reacción álcalicarbonato pues es más común la ocurrencia de agregados conteniendo minerales de sílice. Las indicaciones de la presencia de reactividad álcaliagregado son red de agrietamiento, juntas cerradas o lascadas o dislocación de diferentes partes de la estructura (Fig.1-27). Como el deterioro por reactividad álcali-agregado es un proceso lento, el riesgo de rotura catastrófica es bajo. La reacción álcali-agregado puede causar problemas de utilización (servicio, funcionalidad) y empeorar otros mecanismos de deterioración, como aquellos de la exposición a congelamiento, anticongelantes o sulfatos. Las prácticas corrientes para el control de la reacción álcali-sílice incluyen el uso de materiales cementantes suplementarios o cementos adicionados. Estos materiales han sido verificados y comprobadamente pueden controlar la reacción álcali-sílice. Los materiales cementantes suplementarios incluyen cenizas volantes, escoria granulada de alto horno, sílice activa (humo de sílice, microsílice) y puzolanas naturales (Fig. 1-28). Los cementos adicionados también contienen estos materiales para el control de la reactividad álcali-sílice. Esta práctica permite el uso de agregados y materiales cementantes disponibles en la región. La reducción del contenido de álcalis en el concreto también puede controlar la reacción. El uso de materiales cementantes suplementarios o de cementos adicionados no controla la reacción álcali-carbonato. Felizmente, esta reacción es rara. Si los ensayos de los

Cemento tipo II (ASTM), álcalis=1.00% Ceniza volante clase F

Expansión en 30 meses, porcentaje

0.6

Agregado reactivo riolítico Barras de mortero ASTM C 227 0.5

0.4

0.3

0.2 Criterio de falla

0.1

0 0

10 20 30 Dosificación de ceniza volante, porcentaje

40

Fig. 1-28. Algunas cenizas volantes cuando usadas en la proporción adecuada pueden controlar la reactividad álcaliagregado.

agregados indican que un agregado está susceptible a la reacción álcali-carbonato, la reacción se puede controlar a través del uso de mezcla de agregados, reducción del tamaño máximo del agregado o uso de agentes inhibidores de la reacción. Para más informaciones sobre las reacciones álcalisílice y álcali-carbonate, consulte Farny y Kosmatka (1997).

Carbonatación La carbonatación del concreto es un proceso por el cual el dióxido (bióxido) de carbono del aire penetra en el concreto y reacciona con los hidróxidos, tales como los hidróxidos de calcio para formar carbonatos (Verbeck, 1958). En la reacción con el hidróxido de calcio hay formación de carbonato de calcio. La carbonatación y el secado rápido del concreto fresco pueden afectar la durabilidad de la superficie, pero esto se puede evitar con el curado adecuado. La carbonatación del concreto endurecido no hace daño a la matriz del concreto. Sin embargo, la carbonatación reduce considerablemente la alcalinidad (pH) del concreto. La alta alcalinidad es necesaria para la protección de la armadura contra la corrosión y, por consiguiente, el concreto debe ser resistente a la carbonatación para prevenirse la corrosión del acero de refuerzo. Se aumenta considerablemente el grado de la carbonatación en el concreto que tiene alta relación agua-cemento, bajo contenido de cemento, corto periodo de curado, baja resistencia y pasta altamente permeable (porosa). La profundidad de la carbonatación en el concreto de buena calidad y bien curado tiene generalmente poca importancia desde que la armadura en el concreto tenga suficiente

Fig. 1-27. La fisuración, el cerramiento de las juntas y la dislocación lateral fueron causados por la severa reactividad álcali-agregado en este muro de parapeto. (56586) 15


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recubrimiento (Fig. 1-29). Las superficies acabadas tienden a tener menos carbonatación. La carbonatación de las superficies acabadas normalmente se observa a una profundidad de 1 hasta 10 mm (0.04 hasta 0.4 pulg.) y de las superficies no acabadas de 2 hasta 20 mm (0.1 hasta 0.9 pulg.), después de muchos años de exposición, dependiendo de las propiedades del concreto, sus componentes, edad y condiciones de exposición (Campbell, Sturm y Kosmatka, 1991). El ACI 201 2R , Guía del concreto durable (Guide to Durable Concrete), tiene más informaciones sobre la carbonatación atmosférica y en agua y el ACI 318 código de construcción presenta los requisitos del recubrimiento de la armadura para diferentes exposiciones.

cloruros (aproximadamente 0.15% cloruro solubles en agua por peso de cemento), una célula eléctrica se forma a lo largo del acero y entre las barras de acero y el proceso electroquímico de la corrosión empieza. Algunas regiones del acero a lo largo de las barras se vuelven en ánodos, descargando corriente en la célula eléctrica; y de allá el hierro entra en solución. Las áreas del acero que reciben corriente son los cátodos donde los iones de hidróxido se forman. Los iones de hierro e hidróxido forman el hidróxido de hierro, FeOH, el cual más tarde se oxida, formando polvo (óxido de hierro). La formación de polvo es un proceso expansivo – el polvo se expande hasta cuatro veces su volumen original – el cual induce a la formación de tensiones internas y descascaramientos o descacarillados del concreto sobre el acero de refuerzo. El área de la sección transversal del acero también se puede reducir considerablemente. Una vez que empieza, la tasa de corrosión del acero es influenciada por la resistividad eléctrica del concreto, la humedad y la tasa de migración del oxigeno del concreto hacia el acero. Los iones de cloruro pueden también penetrar en la capa pasivadora del refuerzo; éstos combinan con los iones de hierro, formando un compuesto de cloruro de hierro soluble, el cual lleva el hierro para dentro del concreto para más tarde oxidarse (polvo) (Whiting 1997, Taylor, Whiting y Nagi 2000, Whiting, Taylor y Nagi 2002). La resistencia del concreto a los cloruros es buena, pero se la puede mejorar con una baja relación agua-cemento (0.40), por lo menos siete días de curado y el uso de materiales cementantes suplementarios, tales como cenizas volantes, para reducirse la permeabilidad. El aumento del recubrimiento encima del acero también reduce la migración de cloruros. Otros métodos de reducción de corrosión de acero incluyen el uso de aditivos inhibidores de corrosión, acero revestido con epoxi, tratamientos de superficie, revestimiento del concreto y protección catódica. El revestimiento del acero con epoxi previene que los iones de cloruro alcancen el acero (Fig. 1-30). Los tratamien-

Fig. 1-29. La carbonatación destruye la habilidad del concreto de proteger el acero embutido contra la corrosión. Todo concreto carbonata hasta una pequeña profundidad, pero la armadura debe tener un recubrimiento adecuado para prevenir que la carbonatación alcance el acero. Esta barra de armadura en un muro tenía menos de 10 mm (0.4 pulg.) de recubrimiento de concreto; El código de construcción del ACI requiere un recubrimiento mínimo de 38 mm (11⁄2 pulg.). Después de años de exposición al aire, el concreto carbonató hasta la profundidad de la barra, permitiendo que el acero se oxidara y que la superficie del concreto se lascara. (68340)

Resistencia a los Cloruros y Corrosión de la Armadura El concreto protege a la armadura embutida de la corrosión, debido a su alta alcalinidad. El ambiente de pH alto en el concreto (normalmente mayor que 12.5) promueve la pasivación y la formación sobre el acero de una película de protección de óxido no corrosivo. Sin embargo, la presencia de iones de cloruros de los anticongelantes y del agua del mar puede destruir o penetrar en la película. Cuando se alcanza el límite de corrosión por

Fig. 1-30. Armadura revestida con epoxis usada en el tablero de un puente. (69915) 16


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto tos de superficie y los revestimientos de concreto intentan parar o reducir la penetración de los iones de cloruros en la superficie del concreto. Silanos, siloxanos, metacrilato, epoxies y otros materiales se usan como tratamiento de la superficie. Materiales impermeables, tales como epoxies, no se deben usar en losas sobre el terreno o en otro concreto donde la humedad se pueda congelar bajo el revestimiento. El agua congelada puede causar descascaramiento de la superficie bajo la camada impermeable del revestimiento. Los concretos de cemento portland modificado por látex, concreto con bajo revenimiento y concreto con sílice activa se usan en revestimientos para reducirse el ingreso de los iones cloruro. Los métodos de protección catódica invierten el flujo de corriente a través del concreto y del refuerzo. Se hace ésto con la inserción en el concreto de un ánodo no estructural, forzando el acero a volverse en cátodo por el cargamento eléctrico del sistema. El ánodo se conecta al polo positivo del rectificador. Como la corrosión ocurre donde la corriente deja el acero, éste no puede corroerse si está recibiendo la corriente inducida. La presencia del cloruro en el concreto sin armadura normalmente no trae problemas de durabilidad. Kerkhoff (2001) discute la corrosión de metales no ferrosos en el concreto.

etringita. El sulfato de sodio reacciona con el hidróxido de calcio y aluminato de calcio hidratado, formando etringita e yeso. El sulfato de magnesio ataca, de manera similar, al sulfato de sodio y forma etringita, yeso y también brucita (hidróxido de magnesio). La brucita se forma primeramente en la superficie del concreto, consume el hidróxido de calcio, baja el pH en la solución de los poros y entonces descompone el silicato de calcio hidratado (Santhanam y otros 2001). La taumasita se puede formar durante el ataque de sulfato en condiciones de humedad con temperatura entre 0°C y 10°C (32°F y 50°F) y ocurre como resultado de la reacción entre silicato de calcio hidratado, sulfato, carbonato de calcio y agua (Report of the Thaumasite Expert Group 1999). En los concretos, donde el deterioro está asociado al exceso de taumasita, las fisuras se pueden llenar de taumasita y un halo de taumasita blanca puede encontrarse alrededor de los agregados. En la superficie entre el concreto y el suelo, la superficie del concreto puede ser “mole” con total sustitución de la pasta de cemento por taumasita (Hobbs 2001). Como en las rocas naturales, tales como en las piedras calizas, el concreto poroso está susceptible al ataque de las intemperies causado por cristalización de sales. Estas sales pueden o no contener sulfatos y pueden o no reaccionar con los compuestos hidratados en el concreto. Algunas sales conocidas por causar deterioración en concreto son el carbonato de sodio y sulfato de sodio (los estudios de laboratorio también relataron soluciones saturadas de cloruro de calcio y otras sales como causadores de deterioro de concreto). El mayor daño ocurre con el secado de las soluciones saturadas de estas sales, normalmente en ambientes con ciclos de cambios de humedad relativa y de temperatura que alteran las fases mineralógicas. En concretos permeables, expuestos a condiciones de secado, las soluciones de sales pueden ascender hacia la superficie por la acción de los capilares y, posteriormente, – como resultado de la evaporación en la superficie – la fase de solución se vuelve supersaturada y la cristalización de la sal ocurre, algunas veces generando presiones suficientes para causar la fisuración. Si la tasa de migración de la solución de sal a través de los poros es menor que la tasa de evaporación, se forma una zona de secado debajo de la superficie, ocurriendo cristalización en los poros y causando expansión y descascaramiento (Mehta 2000). Ambas, las partículas de agregado y la pasta de cemento pueden ser atacadas por sales. El ataque de sulfatos y la cristalización de sales son más severos donde el concreto está expuesto a ciclos de mojadura y secado, que donde el concreto está constantemente mojado. Ésto normalmente puede ser visto en postes de concreto donde el concreto se ha deteriorado sólo pocos centímetros encima y abajo del nivel del suelo. La porción del concreto en la parte más profunda del suelo (donde está continuamente mojado) está en buenas condiciones (Fig.

Resistencia Química El concreto de cemento portland es resistente a la mayoría de los medio ambientes; sin embargo, el concreto a veces es expuesto a substancias que pueden atacar y causar deterioración. El concreto en la industria química y en las instalaciones de almacenamiento es especialmente propenso al ataque químico. El efecto del sulfato y de los cloruros se discute en este capítulo. En el ataque ácido del concreto hay disolución de la pasta de cemento y de los agregados calcáreos. Además del uso de concreto con baja permeabilidad, los tratamientos de superficie pueden ayudar a evitar que las substancias agresivas entren en contacto con el concreto. Kerkhoff 2001 analiza los efectos de centenas de productos químicos en el concreto y trae una lista de tratamientos que pueden ayudar en el control del ataque químico.

Sulfatos y Cristalización de Sales Muchos sulfatos presentes en el suelo y en el agua pueden atacar y destruir un concreto que no fue adecuadamente diseñado. Los sulfatos (por ejemplo sulfato de calcio, sulfato de sodio y sulfato de magnesio) pueden atacar un concreto pues reaccionan con los compuestos hidratados en la pasta de cemento hidratada. Estas reacciones pueden crear presiones suficientes para romper la pasta de cemento, resultando en desintegración del concreto (pérdida de cohesión de la pasta y de resistencia). El sulfato de calcio ataca el aluminato de calcio hidratado y forma 17


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1-31 y 1-32). Sin embargo, si la exposición al sulfato es muy severa, las secciones continuadamente mojadas pueden incluso, con el tiempo, ser atacadas por los sulfatos si el concreto no ha sido adecuadamente diseñado. Fig. 1-31. El ataque de sulfatos Para que se obtenga es frecuentemente más severo la mejor protección en la región sometida a mojadura y secamiento, la cual es, contra el ataque externo normalmente, cerca del nivel del por los sulfatos: (1) suelo. Aquí los postes han sido atacados por sulfatos cerca del diseñe el concreto con relación aguanivel del suelo. Véase también la baja foto menor a la derecha de la materiales cementantes Fig. 1.32. El concreto está en mejor condición en mayores (aproximadamente 0.4) y profundidades donde hay hu- (2) use cementos espemedad. (43093) cialmente formulados para ambientes con sulfatos, tales como ASTM C 150 (AASHTO M 85) cementos tipo II y tipo V, C 595 (AASHTO M 240) cementos con moderada resistencia a los sulfatos o C 1157 tipos MS o HS. La resistencia superior a los sulfatos de los cementos tipo II y tipo V ASTM C 150 se presentan en la Figura 1-33.

Clasificación 1.0 = sin deterioración 5.0 = deterioración severa

Clasificación visual

2.0 Tipo I ASTM Tipo II ASTM 3.0 Tipo V ASTM

4.0

5.0 0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Relación agua-cemento en masa

Fig. 1-33. Promedio (media) de vigas de concreto con tres cementos portland y varias relaciones agua-cemento, expuestas durante 16 años a suelos con sulfatos.

Fig. 1-32. Vigas de concreto después de muchos años de exposición a un suelo con alta concentración de sulfatos en Sacramento, California, terreno de ensayo. Las vigas en mejores condiciones tienen bajas relaciones agua-materiales cementantes y muchas de ellas tienen cemento resistente a sulfatos. La foto menor, a la derecha en la parte superior, enseña dos vigas inclinadas sobre sus laterales para mostrar niveles decrecientes de deterioro con la profundidad y el nivel de humedad. (66900, 58499)

18


Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto aditivos. El yeso y otros compuestos de sulfatos reaccionan con el aluminato de calcio en el cemento y forman etringita durante un periodo de pocas horas después del mezclado con el agua. La mayoría de los sulfatos en el cemento normalmente se consume para formar etringita o monosulfoaluminato en un periodo de 24 horas (Klemm y Millar 1997). En esta etapa, la etringita se dispersa uniforme y discretamente por la pasta de cemento en un nivel submicroscópico (menos de un micrómetro en sección transversal). Esta etringita se llama frecuentemente de etringita primaria. Si el concreto se expone a la humedad por un periodo largo de tiempo (muchos años), la etringita puede disolverse lentamente y volver a formarse en áreas menos limitadas. En el examen de microscopio, se pueden observar los cristales de etringita blancos y en forma de aguja forrando los vacíos de aire. Esta etringita que ha vuelto a formarse se llama normalmente de etringita secundaria (Fig. 1-35).

Exposición al Agua del Mar El concreto se ha usado en ambientes marinos por décadas con buen desempeño. Sin embargo, son necesarios cuidados especiales en el diseño de las mezclas y en la selección de los materiales para estos ambientes severos. Una estructura expuesta al agua del mar o al rociamiento del agua del mar es más vulnerable en la zona de marea o salpicadura, donde hay ciclos repetidos de mojadura y secado y/o congelamiento y deshielo. Los sulfatos y los cloruros presentes en el agua del mar requieren el uso de concretos de baja permeabilidad para minimizar la corrosión de la armadura y el ataque de sulfatos (Fig. 1-34). Un cemento resistente a exposición moderada a sulfatos es útil. Los cementos con contenido de aluminato tricálcico (C3A) del 4% al 10% ofrecen protección satisfactoria contra el ataque de sulfatos del agua del mar, bien como protección contra la corrosión de la armadura por cloruros. Se debe garantizar un cubrimiento adecuado sobre el refuerzo (consulte ACI 318). La relación aguamaterial cementante no debe exceder 0.40. En climas más fríos, el concreto debe contener un mínimo del 6% de aire incluido. El concreto de alta resistencia se puede utilizar donde las grandes formaciones de hielo desgastan la estructura. Consulte Stara (1995 y 2001), Farny (1996) y Kerkhoff (2001).

Fig. 1-35. Depósitos blancos de etringita secundaria en un vacío. Ancho del campo 64 µm (69547)

El deterioro del concreto acelera la tasa en la cual la etringita deja su posición original en la pasta para entrar en solución y recristalizarse en espacios grandes, tales como los vacíos de aire o los agrietamientos. Hay que tener suficiente agua y espacio para la formación de los cristales. Los agrietamientos pueden formarse debido al daño causado por la acción del congelamiento, reactividad álcali-agregado, retracción por secado, efectos térmicos, deformación resultante de tensiones excesivas u otros mecanismos. Los cristales de etringita en los vacíos de aire y en las fisuras son típicamente de dos hasta cuatro micrómetros en sección transversal y de veinte hasta treinta micrómetros de largo. Bajo condiciones de deterioración extrema o décadas en ambiente húmedo, los cristales de etringita blanca pueden rellenar completamente los vacíos y las

Fig. 1-34. Los concretos de puentes expuestos al agua del mar se deben diseñar y proporcionar especialmente para la durabilidad. (68667)

Etringita y Expansión Retardadas por Calor Inducido La etringita, una forma de sulfoaluminato de calcio, se encuentra en cualquier parte de cemento. Las fuentes de sulfato de calcio, tal como yeso, se adicionan al cemento portland durante la molienda final en el molino de cemento para prevenir el fraguado rápido y para mejorar el desarrollo de resistencia. El sulfato está presente, también, en los materiales cementantes suplementarios y en los 19


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fisuras. Sin embargo, la etringita secundaria, como cristales grandes en forma de agujas, no se debe considerar peligrosa para el concreto (Detwiler y Power-Couche 1997). Expansión Retardada por Calor Inducido. La expansión retardada por calor inducido (ERCI), también llamada de formación retardada de etringita (FRE), se refiere a una condición rara de ataque de sulfatos internos* a través de la cual el concreto maduro se expande y se fisura. Sólo los concretos con composiciones químicas particulares son afectados cuando alcanzan temperaturas altas, después de algunas horas de su colocación (entre 70°C y 100°C [158°F y 212°F], dependiendo de los componentes del concreto y del tiempo decorrido desde la colocación hasta que la temperatura se alcance). Esto puede ocurrir pues las altas temperaturas decomponen cualquier etringita que inicialmente se forme y prende fuertemente el sulfato y el alumina en el gel de silicato de calcio hidratado (C-S-H) de la pasta de cemento. Se impide, entonces, la formación normal de etringita. En la presencia de humedad, el sulfato se libera del confinamiento del C-S-H y reacciona con el monosulfoaluminato de calcio, formando etringita en el concreto frío y endurecido. Después de meses o años de liberación, la etringita se forma en lugares confinados a lo largo de la pasta. Tal etringita puede ejercer presión de cristalización pues se forma en un espacio limitado bajo supersaturación. Una teoría: como el concreto es rígido y si no hay suficientes vacíos para acomodar la etringita, puede ocurrir aumento de volumen, expansión y agrietamiento. Además, parte de la etringita inicial (primaria) puede convertirse en monosulfoaluminato bajo altas temperaturas y bajo enfriamiento revertirse nuevamente para etringita. Como la etringita ocupa más espacio que el monosulfoaluminato del cual se forma, esta transformación es una reacción expansiva. El mecanismo que causa la expansión en la pasta aún no es totalmente entendido y la real influencia de la formación de etringita en la expansión todavía está siendo investigada. Algunas pesquisas indican que hay poca relación entre la formación de la etringita y la expansión. En la expansión retardada por calor inducido, se observa una separación de la pasta hacia los agregados, como resultado del aumento de volumen de la pasta. Esta separación se caracteriza por el desarrollo de bordes de etringita alrededor de los agregados (Fig. 1-36). En las etapas iniciales de la expansión retardada por calor inducido, los vacíos entre pasta y agregados no están llenos (no hay etringita presente). Se debe observar que el concreto sostiene una pequeña cantidad de expansión sin daño. Sólo casos extremos resultan en fisuración y normal-

Fig. 1-36. La expansión retardada inducida por calor se caracteriza por la expansión de la pasta que se suelta de los componentes no-expansivos, tales como los agregados, creando espacios en la interfaz pasta-agregado. El espacio se puede llenar posteriormente por cristales oportunistas de etringita más grandes, como mostrado aquí. Esta foto es cortesía de Z. Zhang y J. Olek (Purdue University) (69154)

mente la expansión retardada por calor inducido está asociada con otros mecanismos de deterioración, especialmente reactividad álcali-sílice. Sólo los concretos en elementos masivos que retienen el calor de hidratación o elementos expuestos a muy altas temperaturas en edades tempranas corren el riesgo de FRE y de ellos sólo pocos tienen una composición química o un perfil de temperatura para causar expansión perjudicial. Elementos de concreto de tamaño normal colados y mantenidos en temperaturas próximas de las temperaturas ambientes no pueden sufrir ERCI, si los materiales usados son sanos. Las cenizas volantes y las escorias pueden ayudar a controlar la expansión retardada por calor inducido, juntamente con el control del desarrollo de la temperatura en edades tempranas. Para más informaciones, consulte Lerch (1945), Day (1992), Klemm y Millar (1997), Thomas (1998) y Famy (1999).

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*El ataque de sulfatos internos se refiere al mecanismo de deterioro que ocurre en conexión con sulfatos que están presentes en el concreto en el momento de su colocación.

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Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (Requisitos del Código de Edificios para el Concreto estructural y Comentarios), ACI 31899, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1999.

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Capítulo 1 ◆ Fundamentos del concreto Report of the Thaumasite Expert Group, The thaumasite form of sulfate attack: Risks, diagnosis, remedial works and guidance on new construction (El ataque de sulfatos bajo la forma de taumasita: riesgos, diagnóstico, trabajos de reparación y orientación sobre construcciones nuevas), Department of the Environment, Transport and the Regions, DETR, London, 1999.

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

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Capítulo 2

Cementos Portland, Cementos Adicionados y Otros Cementos Hidráulicos La hidratación continúa desde que existan condiciones favorables de temperatura y humedad (curado) y espacio disponible para la formación de los productos de hidratación. A medida que la hidratación continúa, el concreto se vuelve más duro y resistente. Gran parte de la hidratación y del desarrollo de la resistencia ocurre a lo largo del primer mes, pero si hay humedad y temperatura adecuadas, continúa de manera más lenta, por un largo periodo. Se ha reportado el aumento continuo de resistencia, excediendo 30 años (Washa y Wendt 1975 y Word 1992).

EL INICIO DE UNA INDUSTRIA

Fig. 2-1. El cemento portland es un polvo fino que cuando se mezcla con el agua se convierte en un pegamento que mantiene los agregados unidos en el concreto. (58420)

Los constructores antiguos usaban la arcilla para unir piedras para formar una estructura sólida de protección. El concreto más antiguo descubierto data de cerca de 7000 AC y fue encontrado en 1985, cuando se destapó un piso de concreto durante la construcción de una carretera en Yiftah El en Galilea, Israel. Éste consiste en un concreto de cal, preparado con caliza calcinada para producir cal rápida (cal viva, cal virgen), la cual cuando mezclada al agua y a la piedra, se endureció formando el concreto (Brown 1996 y Auburn 2000). En aproximadamente 2500 AC, se empleó un material cementante entre los bloques de piedras en la construcción de la gran pirámide en Giza, en el Egipto antiguo. Algunos informes dicen que era un mortero de cal, mientras que otros Fig. 2-2. Piedra de cantera de la isla de dicen que el mate- Portland (que inspiró el nombre de cerial cementante se mento portland) cerca de un cilindro produjo por la del concreto moderno. (68976)

Los cementos portland son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos hidráulicos de calcio (Fig. 2-1). Los cementos hidráulicos se fraguan y se endurecen por la reacción química con el agua. Durante la reacción, llamada hidratación, el cemento se combina con el agua para formar una masa similar a una piedra, llamada pasta. Cuando se adiciona la pasta (cemento y agua) a los agregados (arena y grava, piedra triturada piedra machacada, pedrejón u otro material granular), la pasta actúa como un adhesivo y une los agregados para formar el concreto, el material de construcción más versátil y más usado en el mundo. La hidratación empieza así que el cemento entra en contacto con el agua. En la superficie de cada partícula de cemento se forma una camada fibrosa que gradualmente se propaga hasta que se enlace con la camada fibrosa de otra partícula de cemento o se adhiera a las substancias adyacentes. El crecimiento de las fibras resulta en rigidización, endurecimiento y desarrollo progresivo de resistencia. La rigidización del concreto puede reconocerse por la pérdida de trabajabilidad, la cual normalmente ocurre después de 3 horas de mezclado, pero es dependiente de la composición y finura del cemento, de cualquier aditivo usado, de las proporciones de la mezcla y de las condiciones de temperatura. Consecuentemente, el concreto fragua y se endurece. 25


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Equipo de perforación Sobrecarga

A la trituradora

Esquisto

Se almacena cada materia prima separadamente

Caliza

Al

Las materias primas consisten en combinaciones de caliza, marga y esquisto, arcilla, arena o mineral de hierro

ce

da

z

ib ov

ra

tor

io

Trituradora primaria Trituradora secundaria

Las materias primas se transportan a los molinos

1. La roca se reduce primero hasta un tamaño de 125 mm (5 pulg.) y después a un tamaño de 20 mm (3/4 pulg.) para entonces se almacenar.

Molino

Al horr no

Colector de polvo

Mezcla cruda

Arcilla

Mineral de hierro

Arena

Se dosifican las materias primas

Calentador de aire Air

A la bomba neumática

Silos de mezclado seco

Almacenamiento del material crudo molido

2. Las materias primas se muelen hasta que se vuelvan en polvo y se las mezcla.

Proceso húmedo

Molino

Bombas de lechada

Se dosifican las materias primas

Al horno

Tam

Se adiciona agua aquí

o

Lechada

Arcilla

Mineral de hierro

Arena

Caliza

Cedazo vibratorio levad año e

Finos

O

ño ma do Ta leva e Finos

Proceso seco

Caliza

Al separador de aire

Se mezcla la lechada

Bomba de lechada

Depósitos de almacenamiento

2. Las materias primas se muelen, se mezclan con el agua para formar una lechada

y se mezclan

Los metriales se almacenan separadamente

Al h orn no La materia prima en el horno hasta la fusión parcial

Colector de polvo

Clínker Carbón, aceite, gas, u otro combustible

Yeso

Air Ventilador

Depósito de polvo

Horno rotatorio

Enfriador de clínker El clínker y el yeso se transportan hasta el molino

3. La calcinación transforma químicamente las materias primas en el clínker de cemento.

Yeso

Clínker

Separador de aire

ño Tama do eleva

Fino

Colector de polvo

s

Se dosifican los materiales Molino Bomba de cemento

Almacenamiento a granel

Camión Vehículo Vagón Empaquetadora Camión a granel de carga de carga

4. Se muele el clínker junto con el yeso para convertirlos en cemento portland y se lo despacha.

Fig 2-3. Etapas en la producción tradicional del cemento portland. 26


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Equipo de perforación Sobrecarga

A la trituradora

Esquisto

Se almacena cada materia prima separadamente io tor ra vib o az

Caliza

Al

Las materias primas consisten en combinaciones de caliza, marga y esquisto, arcilla, arena o mineral de hierro

d ce

Trituradora primaria Trituradora secundaria

Las materias primas se transportan a los molinos

1. La roca se reduce primero hasta un tamaño de 125 mm (5 pulg.) y después a un tamaño de 20 mm (3/4 pulg.) para entonces se almacenar.

Al precalentador Descarga

Colector de polvo

Mezcla cruda

Arcilla

Mineral de hierro

Arena

Caliza

Rollos de molienda de alta presión (opcional, normalmente utilizados en conjunto con el molino de bolas) Alimentación

Se dosifican las materias primas

Puerta para descarga del producto

Materia prima Molino de cilindros

Pala clasificadora

Aire

A la bomba neumática

Silos de mezclado seco

Almacenamiento del material crudo triturado Canaleta alimentadora Molino de cilindros

2. Las materias primas se muelen hasta que se vuelvan en polvo y se las mezcla.

Gas caliente del horno, precalentador o enfriador

Gases calientes de los precalentadores o del enfriados de clínker para el molino Alimentación de la materia prima

Detalle del molino de cilindros, que combina trituración, molienda, secado y clasificación, en una unidad vertical.

Precalentador. Los gases calientes del molino calientan la materia prima y suministran cerca del 40% de la calcinación antes que la materia prima entre en el horno. Algunas fábricas incluyen un horno instantáneo que provee cerca del 85% al 95% de la calcinación antes que la materia prima entre en el horno.

Colector de polvo

Puerta de entrada de aire

Los metriales se almacenan separadamente Clínker

Tubería terciaria de aire

Yeso

Ventilador

Depósito de polvo

Horno rotatorio

Aire Enfriador de clínker El clínker y el yeso se transportan hasta el molino

3. La calcinación transforma químicamente las materias primas en el clínker de cemento. Observe el precalentador de cuatro etapas, el horno instantáneo y el horno con menor longitud. Colector de polvo de alta eficiencia

Tubo de escape de gas

Cemento y aire para el colector de polvo

Separador de alta eficiencia Producto del molino y aire

Se dosifican los materiales

Aire secundario

Yeso

Clínker

Ventilador

Aire primario eliminado por el molino

er e

Clínk

yeso

Rollo de alta presión para pretriturar el clínker que entra en el molino (opcional)

Aire ambiente

Separador de rechazos retorna para el molino

Producto final, el cemento, para los silos Aire Descarga del molino

Molino Cubo del ascensor para el separador

Sólidos Bomba de cemento

Almacenamiento a granel

Camión Vehículo Vagón Empaquetadora Camión a granel de carga de carga

4. Se muele el clínker junto con el yeso para convertirlos en cemento portland y se lo despacha.

Fig. 2-4. Etapas en la producción moderna del cemento portland, a través del proceso seco. 27


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 natural se fabricó en Rosendale, Nueva York en el inicio del siglo XIX (White 1820) y se empleó en la construcción del canal Erie en 1818 (Snell y Snell 2000). El desarrollo del cemento portland es el resultado de la investigación persistente de la ciencia y la industria para producir un cemento natural de calidad superior. La invención del cemento portland se atribuye normalmente a Joseph Aspdin, un albañil inglés. En 1824, obtuvo la patente para este producto, al cual lo nominó cemento portland pues producía un concreto con color semejante a la caliza natural que se explotaba en la isla de Portland en el Canal de la Mancha (Fig. 2-2) (Aspdin 1824). Este nombre permanece hasta hoy y se usa en todo el mundo, con la adición de las marcas y nombres comerciales de sus productores. Aspdin fue el primero a prescribir una fórmula para el cemento portland y el primero a patentarlo. Sin embargo, en 1845, I. C. Johnson de White and Sons, Swanscombe, Inglaterra, afirmó que había “quemado el cemento crudo con una temperatura extraordinariamente alta hasta que la masa casi se vitrificó”, produciendo un cemento portland como ahora lo conocemos. Este cemento se volvió la elección popular en la mitad del siglo XIX y se exportó de Inglaterra para varias partes del mundo. La producción también empezó en Bélgica, Francia y Alemania aproximadamente en el mismo periodo y la exportación de estos productos de Europa para los Estados Unidos comenzó en 1865. El primer embarque de cemento portland para los EE.UU. fue en 1868. El primer cemento portland producido en EE.UU. se fabricó en una planta en Coplay, Pensilvania, en 1871. La producción de cemento en Latinoamérica empezó al final del siglo XIX y principio del siglo XX: 1888 en Brasil, 1897 en Guatemala, 1898 en Cuba, 1903 en México, 1907 en Venezuela, 1908 en Chile, 1909 en Colombia, 1912 en Uruguay, 1916 en Perú, 1919 en Argentina, 1923 en Ecuador, 1926 en Paraguay, 1928 en Bolivia y más recientemente en 1936 en Puerto Rico, 1941 en Nicaragua y 1949 en El Salvador (Bowles, Taeves 1946).

quema de sulfato de calcio. En 500 AC, el arte de la producción de morteros a base de cal llegó a la Grecia antigua. Los griegos usaban materiales a base de cal como aglomerantes (conglomerantes) entre piedras y ladrillos y como material para una capa de revestimiento de calizas porosas normalmente usadas en la construcción de sus templos y palacios. Fueron encontrados ejemplos del concreto del antiguo imperio romano, que datan de 300 AC. La palabra concreto es derivada del latín “concretus”, que significa crecido junto o compuesto. Los romanos perfeccionaron el uso de puzolanas como material cementante. En un momento del siglo II AC, los romanos extrajeron cenizas volcánicas cerca de Pozzuoli; pensando que era arena, la mezclaron con cal y descubrieron que la mezcla era mucho más resistente que las que se produjeron anteriormente. La descubierta tuvo un efecto importante en la industria de la construcción. El material no era arena, pero una ceniza volcánica fina, conteniendo sílice y alúmina, las cuales combinadas químicamente con la cal, producen lo que se llama cemento puzolánico. Los constructores de los famosos muros de Roma, acueductos y otras estructuras históricas, incluyendo el teatro en Pompea (con capacidad para 20,000 espectadores), el Coliseo y el Panteón en Roma usaron este material. Parece que la puzolana fue ignorada durante la edad media, cuando las prácticas de construcción eran mucho menos refinadas que las antiguas y la calidad de los materiales cementantes deteriorada. La práctica de calcinación de la cal y el uso de puzolanas no se usó nuevamente hasta el siglo XIV. No se hicieron esfuerzos hasta el siglo XVIII para determinarse porque algunas cales poseían propiedades hidráulicas mientras que otras (aquellas producidas de calizas fundamentalmente puras) no las poseían. John Smeaton, frecuentemente llamado el “padre de la ingeniería civil en Inglaterra”, concentró su trabajo en este campo. Descubrió que las calizas impuras y blandas, conteniendo materiales arcillosos, producían los mejores cementos hidráulicos. Él ha empleado este cemento combinado con la puzolana, importada de Italia, en su proyecto para la reconstrucción del faro de Eddystone en el Canal de la Mancha, sudoeste de Plymouth, Inglaterra. El proyecto llevó tres años para que se terminara y la operación comenzó en 1759. Se ha reconocido esta obra como una importante realización en el desarrollo de la industria del cemento. Un gran número de descubrimientos se siguieron en la industria del cemento natural, provenientes de los esfuerzos direccionados para la producción de un material de calidad consistente. La diferencia entre la cal hidráulica y el cemento natural es función de la temperatura alcanzada durante la calcinación. Además, una cal hidráulica puede hidratarse en una forma de “terrón”, mientras que los cementos naturales deben ser finamente molidos antes de la hidratación. El cemento natural es más resistente que la cal hidráulica, pero menos resistente que el cemento portland. El cemento

PRODUCCIÓN DEL CEMENTO PORTLAND El cemento portland se produce por la pulverización del clínker, el cual consiste principalmente en silicatos de calcio hidráulicos. El clínker también contiene algunos aluminatos de calcio y ferroaluminatos de calcio y una o más formas de sulfato de calcio (yeso) que se muele juntamente con el clínker para la fabricación del producto final. Los materiales usados para la producción del cemento portland deben contener cantidades apropiadas de los compuestos de calcio, sílice, alúmina e hierro. Durante la fabricación, se hace análisis químico frecuente de todos los materiales para garantizarse una calidad alta y uniforme del cemento. Los diagramas en las Figuras 2-3 y 2-4 muestran las etapas de la fabricación del cemento. Como las operaciones 28


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos calcio), tal como la caliza y material arcilloso (sílice y alúmina), tal como arcilla, pizarra (esquisto) o escoria de alto horno. El cemento se fabrica tanto por vía seca como por vía hú- Fig. 2-7. Las rocas extraídas son meda. En el pro- llevadas por los camiones hasta los triturados primarios. (59893) ceso de vía seca, las operaciones de molienda y mezcla se efectúan con los materiales secos, ya en el proceso vía húmeda los materiales se mezclan con agua en la forma de lechada. En otros aspectos, el proceso seco y el proceso húmedo son muy similares. La Figura 2-4 ilustra desarrollos tecnológicos importantes, los cuales pueden mejorar considerablemente la productividad y la eficiencia energética de las plantas con proceso seco. Después del mezclado, se alimenta la materia prima molida en la parte superior del horno (Fig. 2-8). La harina cruda pasa a lo largo del horno en una tasa controlada por la inclinación y la velocidad de rotación del horno. El combustible (carbón, aceite nuevo o reciclado, fuel-oil, gas natural, llantas de goma y subproductos) se fuerza hacia la parte inferior del horno donde las temperaturas de 1400°C a 1550°C cambian químicamente el material crudo en clínker, pelotitas grises con tamaño predominante de canicas (Fig. 2-9). La Figura 2-10 muestra el proceso de producción del clínker desde la alimentación de la materia prima hasta el producto final. Después de esto, el clínker se enfría y se pulveriza. Durante esta operación, se adiciona una pequeña cantidad de yeso (Fig. 2-11) para controlar el tiempo de fraguado

Fig. 2-5. Vista aérea de una planta de cemento. (70000)

de las plantas de cemento no son básicamente iguales, no se pueden ilustrar adecuadamente por un mismo gráfico todas las plantas. No hay instalaciones típicas para la producción del cemento; cada planta tiene diferencias significantes en disposición, equipos o apariencia general (Fig. 2-5). Las materias primas seleccionadas (Tabla 2-1) se transportan de la cantera (Fig. 2-6), se trituran (Fig. 2-7), se muelen y se dosifican de tal manera que la harina resultante tenga la composición deseada. La harina Fig. 2-6. Caliza, una de las principales cruda es generalmaterias primas, fornece el calcio mente una mezcla para la producción de cemento y se extrae cerca de la planta de cemento. de material calcáreo (carbonato de (59894)

Tabla 2-1. Fuentes de las Materias Primas Usadas y la Fabricación del Cemento Portland Cal, CaO

Hierro Fe2O3

Sílice Si O2

Alúmina Al2 O3

Desechos industriales Aragonita* Calcita* Polvo del horno de cemento Roca calcárea Creta Arcilla Greda Caliza* Mármol Marga* Coquilla Esquisto* Escoria

Polvo de humo de horno de fundición Arcilla* Mineral de hierro* Costras de laminado* Lavaduras de mineral Cenizas de pirita Esquisto

Silicato de calcio Roca calcárea Arcilla* Ceniza volante Greda Caliza Loes Marga* Lavaduras de mineral Cuarcita Ceniza de de arroz Arena* Arenisca Esquisto* Escoria Basalto

Mineral de aluminio* Bauxita Roca calcárea Arcilla* Escoria de cobre Ceniza volante* Greda Granodiorita Caliza Loes Lavaduras de mineral Esquisto* Escoria Estaurolita

Nota: Muchos subproductos industriales tienen potencial como materia prima para la producción del cemento portland. * Las fuentes más comunes

29

Yeso o Sulfato, CaSO4.2H2O Anhidrita Sulfato de calcio Yeso*


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

TIPOS DE CEMENTO PORTLAND EN LOS EE.UU. Se fabrican diferentes tipos de cemento portland para satisfacer a varios requisitos físicos y químicos para aplicaciones específicas. Los cementos portland se producen de acuerdo con las especificaciones ASTM C 150, AASHTO M 85 o ASTM C 1157. La ASTM C 150, Especificaciones de Norma para el Cemento Portland (Standard Specification for Portland Cement), designa ocho tipos de cementos, usando los números romanos, como sigue: Tipo I Normal Tipo IA Normal con aire incluido Tipo II Moderada resistencia a los sulfatos Tipo IIA Moderada resistencia a los sulfatos con aire incluido Tipo III Alta resistencia inicial (alta resistencia temprana) Tipo IIIA Alta resistencia inicial con aire incluido Tipo IV Bajo calor de hidratación Tipo V Alta resistencia a los sulfatos La AASHTO M 85, Especificaciones para el Cemento Portland (Specification for Portland Cement), también usa cinco designaciones para el cemento portland del I al V. Los requisitos de la M 85 son casi idénticos a los de la ASTM C 150. Las especificaciones de la AASHTO se usan por algunos departamentos de transporte estatales en lugar de las normas ASTM. La ASTM C 1157, Especificaciones de Desempeño para los Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements), trae seis tipos de cementos, conforme se discutirá más adelante en “Cementos Hidráulicos”. Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 150 y de la AASHTO M 85.

Fig. 2-8. Horno rotatorio para la manufactura del clinker de cemento. La foto menor, abajo y a la derecha trae una vista del interior del horno. (58927, 25139)

Fig. 2-9. El clinker de cemento portland se forma por la calcinación en el horno del material crudo calcáreo y sílice. Este clinker específico tiene un diámetro de 20 mm (3⁄4 pulg.) (60504)

Tipo I El cemento tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tanques, embalses, tubería, unidades de mampostería y productos de concreto prefabricado y precolado (Fig. 2-12).

Fig. 2-11. El yeso, la fuente de sulfato, se muele juntamente con el clinker para formar el cemento portland. El yeso ayuda a controlar el tiempo de fraguado, las propiedades de retracción por secado y el desarrollo de resistencia. (60505)

(fragüe) del cemento y para que se mejoren las propiedades de retracción y el desarrollo de resistencia (Lerch 1946 y Tang 1992). En el molino, el clínker se muele tan fino que puede pasar, casi completamente, a través de un tamiz (cedazo) de 45 micrómetros (malla No. 325). Este polvo gris extremamente fino es el cemento portland (Fig. 2-1).

Tipo II El cemento tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros expuestos a suelos o 30


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos

H2O H2O

CO2

CO2 CO2

Fig. 2-10. Proceso de producción del clínker de la materia prima al producto final.

31


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Fig. 2-12. El uso típico del cemento normal o el uso general incluye (de la izquierda a la derecha) pavimentos de autopistas, pisos, puentes y edificios. (68815, 68813, 63303, 68809)

agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa (consulte la Tabla 2-2 y las Fig. 2-13 a 2-15). El cemento tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C3A). Los sulfatos en suelos húmedos o en agua penetran en el concreto y reaccionan con el C3A hidratado, ocasionando

expansión, descascaramiento y agrietamiento del concreto. Algunos compuestos de sulfato, tales como los sulfatos de magnesio, atacan directamente el silicato de calcio hidratado. Para controlar el ataque del concreto por los sulfatos, se debe emplear el cemento tipo II acompañado del uso de baja relación agua-material cementante y baja permeabi1

1

2 Clasificación visual

2 Clasificación visual

a/c = 0.38 a/c = 0.47 a/c = 0.68

ASTM Tipo V a/c = 0.37

3

ASTM Tipo II a/c = 0.38 ASTM Tipo I a/c = 0.39

4

3

4

Contenido de cemento = 390 kg/m3 (658 lb/yd3) 5

5 0

2

4

6

8 10 Edad, años

12

14

16

0

2

4

6

8 10 Edad, años

12

14

16

Fig. 2-13. (Izquierda) Desempeño en suelos con sulfatos de concretos preparados con diferentes tipos de cemento. Los cementos tipos II y V tienen menor contenido de C3A, lo que mejora la resistencia a los sulfatos. (Derecha) La mejoría de la resistencia a los sulfatos resultante de la baja relación agua-materiales cementantes, como demostrado por vigas de concreto expuestas a suelos con sulfatos en un ambiente de mojadura y secado. Se presentan los promedios para concretos conteniendo una gran variedad de materiales cementantes, incluso los cementos tipos I, II, V, cementos adicionados, puzolanas y escorias. Véase la Fig. 2-15 para la ilustración de las tasas y la descripción de las vigas de concreto. (Stark 2002)

Tabla 2-2. Tipos de Cemento Requeridos para la Exposición del Concreto a los Sulfatos en Suelo o en Agua

Exposición a los sulfatos

Sulfato soluble en agua (SO4) en suelo, porcentaje de la masa

Tipo del cemento**

Relación agua-material cementante máxima, en masa

Mínima resistencia a compresión de diseño, ˘, kg/cm2 (MPa) [lb/pulg2]

Sulfato (SO4) en agua, ppm

Insignificante

Menos que 0.10

Menos de 150

Ningún tipo especial requerido

Moderado*

0.10 hasta 0.20

150 hasta 1500

II, MS, IP(MS), IS(MS), P(MS), I(PM)(MS), I(SM)(MS)

0.50

280 (28) [4000]

Severa

0.20 hasta 2.00

1500 hasta 10,000

V, HS

0.45

320 (31) [4500]

Muy severa

Más de 2.00

Más de 10,000

V, HS

0.40

350 (35) [5000]

* Agua de mar. ** También se pueden utilizar puzolanas o escorias que, a través de ensayos o registro de servicio, mostraron ser capaces de mejorar la resistencia a los sulfatos. Método de ensayo: Método para la determinación de la Cantidad de Sulfatos Solubles en el Suelo (Suelo o Rocas) y Muestras de Agua, Departamento de Recursos Hídricos Norteamericano (U.S. Bureau of Reclamation, 1977). Fuente: Adaptada del Departamento de Recursos Hídricos Norteamericano (U.S. Bureau of Reclamation).

32


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos

Fig. 2-14. Los cementos de moderada resistencia a los sulfatos y alta resistencia a los sulfatos mejoran la resistencia a los sulfatos de los miembros de concreto, tales como (de la izquierda a la derecha) losas sobre el suelo, tubería y postes de concreto expuestos a suelos con alto contenido de sulfatos. (68985, 52114, 68986)

concreto, la presencia de los cloruros inhibe la reacción expansiva, que es una característica del ataque por sulfatos. Los cloruros y los sulfatos están ambos presentes en el concreto y compiten por las fases aluminato. Los productos de la reacción del ataque por sulfatos son mucho más solubles en la solución de cloruros y se pueden lixiviar del concreto. Las observaciones de muchas fuentes muestran el desempeño en agua del mar de los concretos con cemento portland con un contenido de C3A tan alto cuanto 10%. Estos concretos han presentado durabilidad satisfactoria, desde que su permeabilidad sea baja y haya un recubrimiento adecuado del acero de refuerzo (armadura) (Zhang, Bremner, y Malhotra 2003). Los cementos tipo II, especialmente producidos para satisfacer a los requisitos de moderado calor de hidratación, una opción de la ASTM C 150 (AASHTO M 85), van a generar una tasa de liberación de calor más lenta que el cemento tipo I y la mayoría de los cementos tipo II. El comprador tiene la opción de especificar el requisito de moderado calor de hidratación. Un cemento en el cual se especifica el máximo calor de hidratación se lo puede utilizar en estructuras de gran volumen, tales como pilares (pilas, estribos) y cimientos (cimentaciones, fundaciones) grandes y muros (paredes) de contención de gran espesor (Fig. 2-16). Su empleo va a disminuir la subida de temperatura y la temperatura relacionada con la fisuración, la cual es especialmente importante cuando se cola el concreto en clima caluroso. Debido a su disponibilidad, el cemento tipo II se utiliza, algunas veces, en todas las partes de la construcción, sin tener en cuenta la necesidad de resistencia a los sulfatos o de moderado calor de hidratación. Algunos cementos se pueden etiquetar con más de una designación, por ejemplo Tipo I/II. Esto simplemente significa que tal cemento atiende a los requisitos de ambos los cementos tipo I y tipo II.

Fig. 2-15. Las muestras de pruebas usadas en el ensayo de sulfatos en ambiente externo en Sacramento, California son vigas de 150 x 150 x 760 mm (6 x 6 x 30 pulg.).Se ilustra la comparación de las tasas: (superior) la tasa de concretos de 5 hasta 12 años, preparados con cemento tipo V y relación agua-cemento de 0.65; y (inferior) la tasa de concretos de 2 hasta 16 años, preparados con cemento tipo V y relación agua-cemento de 0.38 (Stark 2002). (68840, 68841)

lidad. La Figura 2-13 (izquierda) ilustra la mejoría de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo II en comparación al cemento tipo I. El concreto expuesto al agua del mar normalmente se produce con el cemento tipo II. El agua del mar contiene cantidades considerables de sulfatos y cloruros. A pesar de la capacidad de los sulfatos del agua del mar en atacar el 33


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento tipo IV en estructuras de concreto masivo (hormigón masa), tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada (Fig. 2-16). El cemento tipo IV raramente está disponible en el mercado.

Tipo V El cemento tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos – principalmente donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos (Fig. 2-13 hasta 2-15). Su desarrollo de resistencia es más lento que en el cemento tipo I. La Tabla 2-2 trae la lista de las concentraciones de sulfatos que requieren el uso del cemento tipo V. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico, no excediendo a 5%. El uso de baja relación aguamateriales cementantes y baja permeabilidad son fundamentales para el buen desempeño de cualquier estructura expuesta a los sulfatos. Incluso el concreto con cemento tipo V no puede soportar una exposición severa a los sulfatos si tiene alta relación agua- materiales cementantes (Fig. 2-15 superior). El cemento tipo V, como otros cementos, no es resistente a ácidos y a otras substancias altamente corrosivas. La ASTM C 150 (AASHTO M 85) permite un enfoque físico y químico (ASTM C 452 ensayo de expansión) para la garantía de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo V. Se puede especificar cualquiera de los enfoques tanto físico como químico, pero no ambos simultáneamente.

Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatura (65258, 68983)

Tipo III El cemento tipo III ofrece resistencia a edades tempranas, normalmente una semana o menos. Este cemento es química y físicamente similar al cemento tipo I, a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover las cimbras (encofrados) lo más temprano posible o cuando la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, su empleo permite una reducción en el tiempo de curado (Fig. 2-17). A pesar de que se puede usar un alto contenido de cemento tipo I para el desarrollo temprano de la resistencia, el cemento tipo III puede ofrecer esta propiedad más fácilmente y más económicamente.

Cementos con Aire Incluido La ASTM C 150 y la AASHTO M 85 presentan especificaciones para tres cementos con aire incluido (incorporado) (Tipos IA, IIA y IIIA). Ellos corresponden a la composición de los cementos ASTM tipos I, II y III, respectivamente, a excepción de que, durante su producción, se muelen

Tipo IV El cemento tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo

Fig. 2-17. Los cementos de alta resistencia inicial se usan donde la resistencia temprana es necesaria, tales como (de la izquierda para la derecha) colocación en tiempo frío, pavimentos de rápida habilitación al tránsito (fast track) para minimizar los embotellamientos y rápida remoción de las cimbras para la concreto premoldeado. (65728, 59950, 68668) 34


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos pequeñas cantidades de material incorporador (inclusor) de aire juntamente con el clínker. Estos cementos producen un concreto con una resistencia a congelamiento y deshielo mayor. Tales concretos contienen burbujas minúsculas de aire, bien distribuidas y completamente separadas. El aire incluido en la mayoría de los concretos se logra a través del uso de aditivos inclusores de aire, y no del uso de cemento con aire incluido. Los cementos con aire incluido están disponibles apenas en algunas regiones.

CEMENTOS HIDRÁULICOS ADICIONADOS (MEZCLADOS O COMPUESTOS) EN LOS EE.UU. En la construcción en concreto, se usa el cemento adicionado (mezclado, compuesto o mezcla) de la misma manera que el cemento portland. Se lo puede emplear como el único material cementante en el concreto o se lo puede usar en combinación con otros materiales cementantes suplementarios, adicionados en la planta de concreto o mezcladora (hormigonera). Normalmente, se especifica el uso del cemento mezclado en combinación con puzolanas y escorias locales. Si se emplea un cemento mezclado o un cemento portland sólo o en combinación con puzolanas o escorias, se debe ensayar el concreto para la verificación de la resistencia, durabilidad y otras propiedades requeridas por la especificación del proyecto (PCA 1995 y Detwiler, Bhatty y Bhattacharja 1996). Los cementos adicionados se producen por la molienda uniforme y conjunta o por la mezcla de dos o más tipos de materiales finos. Los materiales principales son cemento portland, escoria granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice, arcilla calcinada, otras puzolanas, cal hidratada y combinaciones premezcladas de estos materiales (Fig. 2-19). Los cementos hidráulicos mezclados necesitan estar en conformidad con la ASTM C 595 (AASHTO M 240), Especificación para Cementos Hidráulicos Mezclados (Specification for Blended Hydraulic Cements) o ASTM C 1157, especificación de Desempeño de Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements). La ASTM C 595 establece cinco clases principales de cementos adicionados: Tipo IS Cemento portland alto horno Tipo IP y Tipo P Cemento portland puzolánico Tipo I (PM) Cemento portland modificado con puzolana Tipo S Cemento de escoria o siderúrgico Tipo I (SM) Cemento portland modificado con escoria

Cemento Portland Blanco El cemento portland blanco es un cemento portland distinto del gris básicamente en el color. Este cemento se produce de acuerdo con las especificaciones de la ASTM C 150, normalmente tipo I o tipo III. El proceso de producción se controla de tal manera que el producto final sea blanco. El cemento portland blanco se fabrica con materias primas seleccionadas que contienen cantidades insignificantes de óxidos de hierro y magnesio, pues son estas substancias las que le dan el color gris al cemento. El cemento portland blanco se usa principalmente con finalidades arquitectónicas en muros estructurales, concreto prefabricado (premoldeado) y concreto reforzado con fibras de vidrio (CRFV), paneles de fachada, superficies de pavimento, estuco, pinturas en cemento, mortero para ladrillos y concreto decorativo (Fig. 2-18). Se recomienda su empleo siempre que sean deseados concretos, lechadas o morteros blancos o coloridos. Se debe especificar el cemento portland blanco como: cemento portland atendiendo a las especificaciones ASTM C 150, tipos (I, II, III o V). El cemento blanco también se usa en la fabricación de cemento de albañilería (masonería o mampostería) blanco de acuerdo con la norma ASTM C91 y el cemento plástico blanco de acuerdo con la ASTM C 1328 (PCA 1999).El cemento blanco se produjo por primera vez en EE. UU. en York, Pensilvania en 1907. Consulte Farny (2001) para más informaciones.

Fig. 2-18. El cemento portland blanco se utiliza en concreto arquitectónico blanco o de colores claras, variando de (de la izquierda para la derecha) terrazos para pisos, enseñado aquí con cemento blanco y agregado de granito verde (68923), para miembros decorativos estructurales premoldeados o moldeados en obra (68981), para el exterior de los edificios. La foto de la derecha muestra el edificio en concreto premoldeado blanco de la sede de la ASTM en West Conshohocken, Pennsylvania. La foto es cortesía de la ASTM. 35


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 tales como aire incluido, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación que se especifican con la adición de los sufijos A, MS, MH. Por ejemplo, un cemento portland de alto horno con aire incluido que tiene moderada resistencia a los sulfatos sería llamado Tipo IS-A (MS). Consulte Klieger y Isberner (1967) y PCA (1995).

Tipo IP y Tipo P Los cementos portland puzolánicos se designan como tipo IP o tipo P. El tipo IP se lo puede usar para la construcción en general y el tipo P se usa en construcciones que no requieran altas resistencias iniciales. Se fabrican estos cementos a través de la molienda conjunta del clínker de cemento portland con una puzolana adecuada, o por el mezclado de cemento portland o cemento de alto horno con puzolana, o por la combinación de la molienda y del mezclado. El contenido de puzolana de estos cementos está entre 15% y 40% de la masa del cemento. Los ensayos de laboratorio indican que el desempeño de los concretos preparados con el cemento tipo IP es similar al concreto del cemento tipo I. Se puede especificar el tipo IP con aire incluido, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación a través de la adición de los sufijos A, MS o MH. Se puede especificar el tipo P con bajo calor de hidratación (LH), moderada resistencia a los sulfatos (MS) o aire incorporado (A).

Fig. 2-19. Los cementos adicionados usan una combinación de cemento portland o clinker y yeso mezclados o molidos juntamente con puzolanas, escorias o ceniza volante. La ASTM C 1175 permite el uso y la optimización de todos estos materiales, simultáneamente si necesario, para producirse un cemento con propiedades óptimas. Se enseñan el cemento adicionado (al centro) rodeado por (derecha y en el sentido del reloj) clinker, yeso, cemento portland, ceniza volante, escoria, humo de sílice y arcilla calcinada. (68988)

Los cementos tipos IS, IP, P, I(PM) y I(SM) son de uso general (Fig. 2-12), más adelante, se presentan estos tipos de cemento y las subcategorías. La AASHTO M 240 también usa estas clases para los cementos mezclados. Los requisitos de la M240 son casi idénticos a los de ASTM C 595. La ASTM C 1157 presenta seis tipos de cementos mezclados, los cuales van a ser discutidos bajo “Cementos Hidráulicos”. Los cementos mezclados que estén de acuerdo con los requisitos de la C 1157, satisfacen a los requisitos de los ensayos de desempeño físico sin restricciones de ingredientes o composición química del cemento. Esto permite que el productor de cemento, visando optimizar las propiedades de resistencia y durabilidad, use una gran variedad de materiales cementantes, tales como clínker portland, escoria de alto horno, humo de sílice y arcilla calcinada (Fig. 2-19). Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 595 y de la AASHTO M 240:

Tipo I (PM) Los cementos portland modificados con puzolana, Tipo I(PM), se usan en construcciones de concreto en general. El cemento se fabrica con la combinación del cemento portland o el cemento portland de alto horno y una puzolana fina. Esta combinación se puede lograr por: (1) el mezclado del cemento portland con la puzolana, (2) el mezclado del cemento portland de alto horno con a puzolana, (3) la molienda conjunta del cemento portland y de la puzolana o (4) la combinación de la molienda y el mezclado. El contenido de puzolana es menor que 15% de la masa del cemento final. Se puede especificar aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación en cualquier combinación por la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo del cemento tipo I (PM) con aire incorporado y moderado calor de hidratación sería designado con el tipo I (PM)-A(MH).

Tipo IS Se puede usar el cemento portland de alto horno, tipo IS, para la construcción en concreto en general. El uso histórico de cementos mezclados con escorias data del inicio del siglo XX en Europa, Japón y América del Norte (Abrams 1925). En la producción de estos cementos, la escoria granulada de alto horno tanto se muele juntamente con el clínker del cemento portland como se la muele separadamente y se la mezcla con el cemento portland o entonces se lo produce con la combinación de molienda conjunta y mezclado. El contenido de escoria de alto horno en este cemento está entre 25% y 70% de la masa del cemento. Hay otras subcategorías (propiedades especiales opcionales)

Tipo S El cemento de escoria de alto horno se usa con el cemento portland para la confección de concreto o con cal para el preparo de mortero, pero no se lo emplea separadamente en concreto estructural. El cemento de escoria se produce por: (1) mezclado de la escoria granulada de alto horno y el cemento portland, (2) mezclado de la escoria granulada de alto horno con la cal hidratada o (3) mezclado de una 36


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos combinación de escoria granulada de alto horno, cemento portland y cal hidratada. El contenido mínimo de escoria es del 70% de la masa del cemento. Se puede especificar el aire incluido en el cemento de escoria con la adición del sufijo A, por ejemplo, tipo S-A.

especificados para ayudar en el control de la reactividad álcali-agregado. Por ejemplo, el cemento tipo GU-R sería un cemento hidráulico de uso general con baja reactividad con agregados álcali-reactivos. Al especificar un cemento C 1157, el especificador usa la nomenclatura de “cemento hidráulico”, “cemento portland”, “cemento portland con aire incluido”, “cemento portland modificado” o “cemento hidráulico mezclado” juntamente con la designación del tipo. Por ejemplo, la especificación puede llamar un cemento hidráulico tipo GU, un cemento hidráulico mezclado tipo MS o un cemento portland tipo HS. Si no se especifica el tipo, entonces se asume el tipo GU. La ASTM C 1157 define un cemento adicionado como aquél que tiene más de 15% de adición mineral y el cemento portland modificado aquél con un contenido de hasta 15% de aditivos minerales. La adición mineral normalmente aparece al final de la nomenclatura del cemento portland modificado, por ejemplo, cemento portland modificado con escoria. La ASTM C 1157 también permite la especificación de una gama de resistencias a partir de una tabla de la norma. Si no se especifica la gama de resistencias, sólo las resistencias mínimas son aplicables. La gama de resistencias se usa raramente en los EE.UU. Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 1157:

Tipo I (SM) El cemento portland modificado con escoria, tipo I(SM), se usa para construcciones de concreto en general. Este cemento se produce por: (1) molienda conjunta del clínker de cemento portland con la escoria granulada de alto horno, (2) mezcla del cemento portland con la escoria granulada de alto horno finamente molida o (3) una combinación de molienda conjunta y mezcla. El contenido de escoria es menor que 25% de la masa del cemento final. Se lo puede especificar con aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación a través de la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo sería el tipo I(SM)-A (MH) para el cemento portland modificado con escoria con aire incorporado y moderada resistencia a los sulfatos.

CEMENTOS HIDRÁULICOS EN LOS EE.UU. Los cementos hidráulicos se fraguan y se endurecen por su reacción química con el agua. También se mantienen duros y estables bajo el agua. Se usan en todos los aspectos de la construcción con concreto. Todos los cementos portland y los cementos mezclados son cementos hidráulicos. “Cemento Hidráulico” es meramente un término más genérico Consulte también ASTM C 219 para los términos relacionados a los cementos hidráulicos. En los años 90 se crearon las especificaciones de desempeño para los cementos hidráulicos – ASTM C 1157, Especificación de Desempeño para Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements). Esta especificación se indica genéricamente para los cementos hidráulicos que incluyen cemento portland, cemento portland modificado y cemento hidráulico mezclado. Los cementos en acuerdo con los requisitos de la C 1157 satisfacen a los requisitos de ensayos de desempeño físico, oponiéndose a restricciones de ingredientes o de composición química del cemento, las cuales se pueden encontrar en otras especificaciones. La ASTM C 1157 presenta seis tipos de cementos hidráulicos: Tipo GU Uso general Tipo HE Alta resistencia inicial Tipo MS Moderada resistencia a los sulfatos Tipo HS Alta resistencia a los sulfatos Tipo MH Moderado calor de hidratación Tipo LH Bajo calor de hidratación Además, estos cementos pueden también tener la opción R –baja reactividad con agregados álcali-reactivos –

Tipo GU El cemento de uso general tipo GU es adecuado para todas las aplicaciones donde las propiedades especiales de los otros tipos no sean necesarias. Su uso en concreto incluye pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tubería, productos de concreto prefabricado y otras aplicaciones donde se usa el cemento tipo I (Fig. 2-12).

Tipo HE El cemento tipo HE proporciona alta resistencia en edades tempranas, usualmente menos de una semana. Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo III (Fig. 2-17).

Tipo MS El cemento tipo MS se emplea donde sean importantes las precauciones contra el ataque moderado por los sulfatos, tales como en estructuras de drenaje, donde las concentraciones de sulfatos en el agua subterráneo son mayores que lo normal pero no llegan a ser severas (consulte Tabla 2-2). Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo II (Fig. 2-14). Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento tipo MS con baja relación aguamateriales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos. 37


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tipo HS

CEMENTO HIDRÁULICO DE ESCORIA EN LOS EE.UU.

El cemento tipo HS se usa en concreto expuesto a la acción severa de los sulfatos – principalmente donde el suelo o el agua subterránea tienen altas concentraciones de sulfato (consulte Tabla 2-2). Este cemento se emplea de la misma manera que el cemento portland tipo V (Fig. 2-14).

Los cementos hidráulicos de escoria son como los otros cementos que se fraguan y se endurecen por la reacción química con el agua. Se indica la aplicación del concreto preparado con el cemento hidráulico de escoria para las mismas finalidades que los otros cementos hidráulicos. Los cementos hidráulicos de escoria consisten en escoria granulada de alto horno que contiene los mismos compuestos químicos que el cemento portland. Normalmente, se los mezclan con cal hidratada o cemento portland. La combinación del cemento hidráulico de escoria con el agua produce esencialmente el mismo material aglomerante (silicato de calcio hidratado) que el producido por el cemento portland al combinarse con el agua. El cemento hidráulico de escoria está de acuerdo con la norma ASTM C 595 tipos IS y S, ASTM C 989 y ASTM C 1157.

Tipo MH El cemento tipo MH se usa donde el concreto necesite tener un calor de hidratación moderado y se deba controlar el aumento de la temperatura. El cemento tipo MH se usa de la misma manera que el cemento portland de moderado calor tipo II (Fig. 2-16).

Tipo LH El cemento tipo LH se usa donde la tasa y la cantidad del calor generado por la hidratación deban ser minimizadas. Este cemento desarrolla resistencia en una tasa más lenta que los otros cementos. El cemento tipo LH se aplica en estructuras de concreto masivo donde se deba minimizar el aumento de la temperatura resultante del calor generado durante el endurecimiento. Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo IV (Fig. 2-16). La Tabla 2-3 presenta una matriz de los cementos comúnmente usados y donde son usados en la construcción de concreto.

CEMENTOS PORTLAND MODIFICADOS NORTEAMERICANOS El término “cemento portland modificado” usualmente se refiere a un cemento adicionado que contiene principalmente cemento portland, mezclado con pequeñas cantidades (menos que 15%) de adiciones minerales. Sin embargo, algunas regiones poseen cementos portland modificados que no contienen una adición mineral. El

Tabla 2-3. Aplicaciones para los Cementos Más Populares en los EE.UU. Aplicaciones* Moderado calor de hidratación II (opción de moderado calor)

Especificación del cemento ASTM C 150 (AASHTO M 85) cementos portland

Uso general I

ASTM C 595 (AASHTO M 240) Cementos hidráulicos mezclados

IS IP I(PM) I(SM) S, P

IS(MH) IP(MH) I(PM)(MH) I(SM)(MH)

ASTM C 1157 Cementos hidráulicos***

GU

MH

Alta resistencia inicial III

Bajo calor de hidratación IV

HE

Moderada Alta resistencia a resistencia a los sulfatos los sulfatos II V

P(LH)

IS(MS) IP(MS) P(MS) I(PM)(MS) I(SM)(MS)

LH

MS

Resistencia a la reacción álcalisílice (RAS)** Opción de bajo álcalis Opción de baja reactividad

HS

Opción R

* Verifique la disponibilidad local de los cementos específicos pues ni todos los cementos están disponibles en todas las regiones. ** La opción de baja reactividad con agregados susceptibles a la RAS se puede aplicar a cualquier tipo de cemento en las columnas a la izquierda. *** Para los cementos ASTM C 1157, la nomenclatura de cemento hidráulico, cemento portland, cemento portland con aire incluido, cemento portland modificado o cemento portland adicionado se usa con la designación del tipo.

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Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos “modificado” se refiere simplemente a una propiedad especial que el cemento posee o se refiere a un cemento que tiene las características de más de un tipo de cemento portland. Para más informaciones, consulte las discusiones anteriores sobre los cementos tipo I(SM), cemento portland modificado con escoria y tipo I(PM), cemento portland modificado con puzolana y las discusiones en “Cementos Hidráulicos”.

Consisten en una mezcla de cemento portland, cemento hidráulico adicionado y materiales plastificantes (tales como caliza o cal hidratada), junto con otros materiales introducidos para mejorar una o más propiedades, tales como tiempo de fraguado, trabajabilidad, retención de agua y durabilidad. Se proporcionan y se embolsan estos

CEMENTOS ESPECIALES EN LOS EE.UU. Los cementos especiales se producen para aplicaciones especiales. La Tabla 2-4 resume los cementos especiales discutidos abajo. Para más informaciones, consulte Odler (2000) y Klemm (1998).

Cementos de Albañilería (Masonería, Mampostería) y Cementos Mortero Los cementos de albañilería y los cementos mortero son cementos hidráulicos diseñados para que se empleen en morteros en la construcción de mampostería (Fig. 2-20).

Fig. 2-20. El cemento de albañilería y el cemento de mortero se usan para el preparo de mortero para la unión de unidades de mampostería. (68807)

Tabla 2-4. Aplicaciones de los Cementos Especiales Cemento especial Cemento Blanco, ASTM C 150 Cemento blanco de albañilería, ASTM C 91 Cementos de Albañilería, ASTM C 91 Cementos mortero, ASTM C 1329 Cementos plásticos, ASTM C 1328 Cementos expansivos, ASTM C 845 Cementos para pozos petroleros, API 10 Cementos repelentes al agua

Tipo I, II, II, V M, S, N M, S, N M, S, N M, S E-1(K), E-1(M), E-1(S) A, B, C, D, E, F, G, H

Cementos de fraguado regulado Cemento con adiciones funcionales, ASTM C 595 (AASHTO M 240), ASTM C 1157

Cemento molido finamente (ultra fino) Cemento de aluminato de calcio Cemento de fosfato de magnesio Cemento de geopolímero Cemento de etringita Cemento hidráulico de endurecimiento rápido

VH, MR, GC

Aplicación Concreto blanco o colorido, mampostería, mortero, lechada, revoque y estuco Mortero blanco entre las unidades de mampostería Mortero entre las unidades de mampostería*, revoque y estuco Mortero entre las unidades de mampostería* Revoque y estuco** Concreto de retracción compensada Cementación o selladura de pozos Mortero para baldosas y azulejos, pintura y revestimiento final de estuco Resistencia temprana y reparos*** Construcción de concreto en general que necesite de características especiales, tales como reductor de agua, inclusor de agua, controle de fraguado y propiedades aceleradas Selladura geotécnica Reparos, resistencia química, exposición a altas temperaturas Reparos y resistencia química Construcción general, reparo, estabilización de desechos*** Estabilización de desechos*** Pavimentación general donde sea requirido desarrollo rápido de resistencia (aproximadamente 4 horas)

* Los cementos portland tipos I, II, III y los cementos adicionados tipos IS, IP y I(PM) también se emplean en la producción de morteros. ** Los cementos portland tipos I, II, III y los cementos adicionados tipos IP, I(SM) y I(PM) también se emplean en la producción de revoques. *** Los cementos portland y los cementos hidráulicos adicionados se emplean también para estas aplicaciones.

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 única especificación de la ASTM para materiales de mampostería que incluye un criterio de desempeño para la resistencia de adherencia. La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería y los cementos para mortero están en el más alto nivel de uniformidad, debido al control de la producción. Los cementos de albañilería y los cementos mortero no sólo se emplean en la construcción de mamposterías pero también en aplanados. Los cementos de albañilería se emplean también en revoque y estuco a base de cemento portland (Fig. 2-21) (consulte ASTM C 926). No se deben usar los cementos de albañilería y los cementos para mortero en la preparación de concreto.

componentes en la planta de cemento bajo condiciones controladas para que se garantice la uniformidad del desempeño. Los cementos de albañilería satisfacen a los requisitos de la ASTM C 91, la cual clasifica los cementos de albañilería como tipo N, Tipo S y tipo M. El cemento blanco de albañilería y el cemento colorido de albañilería están de acuerdo con la ASTM C 91 y están disponibles en algunas regiones. Los cementos mortero siguen los requisitos de la norma ASTM C 1329, la cual también clasifica los cementos para mortero en tipo N, tipo S y tipo M. Sigue una breve descripción de cada tipo: El cemento tipo N de albañilería y el cemento tipo N para mortero se usan en morteros tipo N y tipo O da ASTM C 270. Se los puede emplear con cemento portland o cemento portland adicionado para la producción de los morteros tipo S y tipo M. El cemento de albañilería tipo S y el cemento mortero tipo M se usan en el mortero tipo S da ASTM C 270. Se los puede emplear también con cemento portland y cemento portland adicionado para la producción del mortero tipo M. El cemento de albañilería tipo M y el cemento mortero tipo M se usan en morteros tipo M da ASTM C 270 sin la adición de otros cementos o de cal hidratada. Los tipos N, S y M generalmente tienen niveles de cemento portland y resistencias crecientes, siendo que el tipo M tiene la mayor resistencia. El cemento más empleado es el cemento tipo N. El aumento del uso de mamposterías en aplicaciones con exigencias estructurales, tales como áreas con actividad sísmica, resultó en el desarrollo del cemento para mortero. El cemento para mortero es similar al cemento de albañilería en el sentido de que es un cemento preparado industrialmente y usado principalmente para la producción de morteros para mamposterías. La ASTM C 1329 pone límites máximos de contenido de aire inferiores en el cemento para mortero que los límites permitidos para los cementos de albañilería; además, la ASTM C 1329 es la

Cementos Plásticos El cemento plástico es un cemento hidráulico que satisface a los requisitos de la ASTM C 1328. Se lo usa para la preparación de revoques y estucos a base de cemento portland (ASTM C 926), normalmente en las regiones sudoeste y costa oeste de los EE.UU. (Fig. 2-21). El cemento plástico consiste en una mezcla de cemento portland, cemento adicionado y materiales plastificantes (tales como caliza, cal hidratada, cal hidráulica), conjuntamente con materiales introducidos para la mejoría de una o más propiedades, tales como tiempo de fraguado, trabajabilidad, retención de agua y durabilidad. La ASTM C 1328 define requisitos separados para los cementos plásticos tipo M y tipo S, siendo que el tipo M posee más altos requisitos de resistencias. El código de construcciones uniformes (Uniform Building Code – UBC) 25-1 no clasifica el cemento plástico en diferentes tipos, pero define un sólo grupo de requisitos, el cual corresponde a aquéllos de la ASTM C 1328 para el cemento plástico tipo M. Cuando se usa el cemento plástico, ni cal ni plastificantes se pueden adicionar en el revoque en el momento del mezclado.

Fig. 2-21. El cemento de albañilería y el cemento plástico se usan para la producción de revoques o estucos para edificios comerciales, institucionales y residenciales. Las fotos enseñan una Iglesia y una casa con estuco exterior. La foto menor, a la derecha, muestra la textura convencional del estuco. (69389, 67878, 68805)

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Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos

Cambio de longitud, porcentaje

E-1(S) contiene cemento portland con alto contenido de aluminato tricálcico y sulfato de calcio. El tipo E-1(K) es el cemento expansivo más disponible comercialmente en los EE.UU. Los cementos expansivos también se pueden producir con composiciones diferentes de las mencionadas anteriormente. Las propiedades expansivas de cada Fig. 2-22. (izquierda) La lechada de cemento finamente molido y agua se puede tipo pueden variar considerableinyectar en el suelo, como se enseña aquí, para la estabilización de los materiales, mente dentro de un rango. para garantizarse la resistencia de cimientos (cimentación, fundación, zapata) o Cuando se restringe la expanpara retener químicamente los contaminantes en el suelo. (68810) Ilustración sión, por ejemplo por el acero del (derecha) de la penetración de la lechada (groute) en el suelo. refuerzo (armadura), el concreto de cemento expansivo (también El término “plástico” en el cemento plástico no se llamado de retracción compensada o contracción compensada) se lo puede usar para: (1) compensar la disminución refiere a ninguna adición de cualquier compuesto orgánico de volumen derivado de la contracción por secado, al cemento, pero “plástico” se refiere a la habilidad del (2) inducir tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) en cemento de conferir al revoque un alto grado de plasticila armadura (concreto postensado) y (3) estabilizar, a largo dad (docilidad) o trabajabilidad. El revoque preparado con plazo, las dimensiones de las estructuras de concreto este cemento debe mantenerse trabajable por un periodo postensado con respecto al diseño original. de tiempo suficientemente largo para que sea retrabajado, Una de las mayores ventajas en el uso de los cementos obteniéndose así la densificación y la textura deseadas. No expansivos en concreto ha sido citada arriba en el (1); se debe usar el cemento plástico en el preparo de concreto. cuando se pueden compensar los cambios de volumen Para más informaciones sobre el uso del cemento plástico y ocasionados por la contracción por secado, se controlan y revoques, consulte Melander e Isberner (1996). reducen las fisuras de retracción por secado. La Figura 2-23 ilustra el histórico de cambios de longitud (expansión Cemento Finamente Molido (Cementos temprana y contracción por secado) de concretos con Ultra Finos) retracción compensada y de concretos convencionales de cemento portland. Para más informaciones, consulte Los cementos finamente molidos, también llamados de Pfeifer y Perenchio (1973), Russell (1978) y PCA (1998). cementos ultra finos, son cementos hidráulicos los cuales se muelen muy finamente para usarlos en selladura de suelos finos o en fisuras muy finas de rocas (Fig. 2-22). Las partículas de cemento son más pequeñas que 10 micrómetros de 0.10 diámetro y 50% de las partículas son menores que 5 Curado húmedo por 7 días, seguido por micrómetros. Su finura Blaine normalmente excede a 800 curado al aire a 23oC (73oF) 0.08 m2/kg. Estos cementos muy finos consisten en cemento Restringido por el acero del refuerzo p = 0.35% 0.06 portland, escoria granulada de alto horno y adiciones minerales. Concreto de contracción

Cementos Expansivos El cemento expansivo es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el inicio del periodo de endurecimiento, después del fraguado. Este cemento debe estar de acuerdo con los requisitos de la ASTM C 845, en la cual está designado como el tipo E-1. Actualmente, se reconocen tres variedades de cemento expansivo, llamadas de K, M y S, las cuales se añaden como sufijo al tipo. El tipo E-1(K) contiene cemento portland, trisulfoaluminato tetracálcico, sulfato de calcio y óxido de calcio no combinado (cal). El tipo E-1(M) contiene cemento portland, cemento de aluminato de calcio y sulfato de calcio. El tipo

0.04

compensada

0.02 0 -0.02

Concreto de cemento portland

-0.04 -0.06

0 7

50

100 Tiempo, días

150

200

Fig. 2-23. Histórico de los cambios de longitud de un cemento de retracción compensada, de concreto conteniendo cemento tipo E-1 (S) y de concreto conteniendo cemento portland tipo I (Pleifer y Perenchio 1973). 41


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Cementos de Fraguado Regulado

Cementos para Pozos Petroleros (Petrolíferos)

Cementos de fraguado regulado son cementos hidráulicos de fluoraluminato de calcio que se pueden formular y controlar para la producción de concreto con tiempo de fraguado que varíen de pocos minutos hasta una hora y con correspondiente desarrollo rápido de la resistencia (Greening y otros 1971). Éste es un cemento a base de cemento portland con adiciones funcionales y que se puede producir en el mismo horno usado en la fabricación convencional del cemento portland. El cemento de fraguado regulado incorpora componentes de controle de fraguado y de desarrollo de resistencia a las edades tempranas. Las propiedades físicas finales del concreto resultante son, en su mayoría, similares a las de los concretos de cemento portland comparables.

Los cementos para pozos petroleros, usados para sellar pozos de petróleo, también llamados de cementación de pozos petroleros, se fabrican normalmente con clínker de cemento portland o de cementos hidráulicos adicionados. Generalmente, deben tener tiempo de fraguado lento y deben ser resistentes a altas temperaturas y presiones. La especificación para cementos y materiales para selladura de pozos del Instituto de Petróleo Americano (American Petroleum Institute’s Specification for Cements and Materials for Well Cementing) incluye requisitos para ocho clases de cementos para pozos (clases A hasta H) y tres grados (Grado O – común, MSR – moderada resistencia a los sulfatos y HSR – alta resistencia a los sulfatos). Cada clase se aplica para el uso hasta una cierta gama de profundidades del pozo, temperaturas, presiones y ambientes sulfatados. La industria de petróleo también usa los tipos de cemento portland convencionales con modificadores de cemento adecuados. Los cementos expansivos han presentado un buen desempeño como cemento para pozos.

Cementos de Geopolímeros Los cementos de geopolímeros son cementos hidráulicos inorgánicos que se basan en la polimerización de minerales (Davidovits, Davidovits y James 1999). El término se refiere más específicamente a cementos alumino-silicato activados por álcalis, también llamados de cementos zeolíticos o polisialato. Se los han usado para la construcción en general, aplicaciones de concreto de alta resistencia inicial y estabilización de desechos. Estos cementos no contienen polímeros orgánicos o plásticos.

Cementos con Adiciones Funcionales Las adiciones funcionales se pueden moler con el clínker de cemento para modificar las propiedades del cemento hidráulico. Estas adiciones deben cumplir con los requisitos de la ASTM C 226 o C 688. La ASTM C 226 indica la adición de inclusor de aire, mientras que la ASTM C 688 indica las siguientes adiciones: reductores de agua, retardadores (retardantes), aceleradores (acelerantes), reductores de agua y retardadores, reductores de agua y aceleradores y adiciones para control de fragüe. Las especificaciones para el cemento ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157 permiten las adiciones funcionales. Estos cementos se pueden utilizar en construcciones de concreto normales o especiales, cementación y otras aplicaciones. Gaida (1996) estudió una adición funcional para el control de la reactividad álcali-sílice.

Cementos de Etringita Los cementos de etringita son cementos de sulfoaluminato de calcio que se formulan especialmente para aplicaciones especiales, tales como la estabilización de materiales de desecho (Klemm 1998). Estos cementos se pueden formular con grandes cantidades de etringita para la estabilización de iones metálicos específicos a lo largo de la estructura de la etringita. También se los han empleado en aplicaciones de fraguado rápido, incluyendo su uso en minas de carbón. Consulte “Cementos Expansivo” arriba.

Cementos Repelentes al Agua

Cementos de Endurecimiento Rápido

Cementos repelentes al agua, algunas veces llamados de cementos impermeables, se producen normalmente con la adición al clínker de pequeñas cantidades de aditivos repelentes al agua, tales como estearato (sodio, aluminio y otros) durante la molienda final (Lea 1971). Fabricados tanto en el color blanco como en el color gris, los cementos repelentes al agua reducen la transmisión de agua por capilaridad cuando hay poca o ninguna presión, pero no paran la transmisión de vapor de agua. Se usan en morteros para baldosas y azulejos, pinturas y revestimiento final en estuco.

El cemento hidráulico de endurecimiento rápido, alta resistencia inicial, se usa en construcciones tales como pavimentos de rápida habilitación al tránsito (fast track), donde el desarrollo rápido de la resistencia se hace necesario (resistencia de diseño [resistencia de cálculo] en aproximadamente cuatro horas). Estos cementos normalmente usan sulfoaluminato de calcio para la obtención de la resistencia temprana. Se clasifican como tipo VH (muy alta resistencia temprana), MR (resistencia temprana de medio rango) y (GC) construcción general. 42


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Los cementos para uso general son: 1) el cemento portland normal (CPN), el cual es un cemento que puede tener hasta 10%, en masa, de escoria de alto horno; 2) el cemento portland con “filler”calcáreo (CPF), el cual puede tener hasta 20% de “filler”calcáreo, en masa; 3) el cemento portland con escoria (CPE), el cual tiene del 11% al 35% de adición de escoria de alto horno; 4) el cemento portland compuesto, que es un cemento con hasta 35% de dos o más adiciones (puzolana, escoria o filler); 5) el cemento portland puzolánico (CPP), el cual tiene del 15% al 50% de adición de puzolana y 6) el cemento de alto horno (CAH), el cual posee del 35% al 75% de adición de escoria. Todos estos cementos deben tener una finura individual mayor que 225 m2/kg, tiempo de fraguado inicial superior a 45 minutos y tiempo de fraguado final inferior a 10 horas. Se los puede clasificar en tres rangos de resistencias: CP30 (resistencia mínima a los 28 días de 30 MPa), CP40 (resistencia mínima a los 28 días de 40 MPa, 400 kg/cm2 o 5800 lb/pulg2) y CP50 (resistencia mínima a los 28 días de 50 MPa, 500 kg/cm2 o 7300 lb/pulg2). Los cementos con propiedades especiales son: 1) el cemento de alta resistencia inicial (ARI), el cual debe presentar resistencia a compresión a los 7 días superior a 40 MPa, 400 kg/cm2 o 5800 lb/pulg2 y a los 28 días superior a 50 MPa, 500 kg/cm2 o 7300 lb/pulg2 ; 2) el cemento altamente resistente a los sulfatos (ARS), el cual tiene un contenido máximo de C3A de 4%; 3) los cementos moderadamente resistentes a los sulfatos (MRS), con contenido máximo de C3A de 8%; 4) el cemento de bajo calor de hidratación (BCH); 5) el cemento resistente a la reacción álcaliagregado (RRAA) y 6) el cemento blanco, con blancura superior a 70%. Normalmente todos los cementos con propiedades especiales atienden a los requisitos de uno de los cementos de uso general, pero ni todo cemento de uso general atiende a los requisitos del cemento con propiedades especiales. Los cementos en acuerdo con los requisitos de IRAM 50001 satisfacen a los requisitos de ensayos de desempeño físico, oponiéndose a restricciones de ingredientes. Los cementos son normalmente designados por letras, las cuales indican el tipo de cemento, seguidas por números que indican la resistencia a compresión a los 28 días. Por ejemplo CPN40 es un cemento portland normal con 40 MPa de resistencia a compresión a los 28 días. Cuando el cemento atiende a los requisitos de más de un tipo de cemento, se lo debe designar con las letras de ambos los cementos, como por ejemplo el CPN40 (MRS) (cemento portland común con moderada resistencia a los sulfatos). Los cementos comercialmente disponibles en Argentina son: CPN, CPN (MRS), CPN (ARI, MRS), CPN (ARS), ARI, ARI (MRS), CPP (BCH), CPP (ARS), CPP (ARS, BCH, RRAA), ARS, CPF, CPC, CPC (ARS), CAH, CAH (RRAA) y ARS. Además, Argentina produce el cemento de albañilería tipo M (según IRAM 1685) y el cemento para pozos petroleros tipo G (MRS), G (ARS) y H (según las normas IRAM 1518 y API 10A).

Cementos de Aluminato de Calcio El cemento de aluminato de calcio no tiene como base el cemento portland. Se lo utiliza en aplicaciones especiales para desarrollo rápido de resistencia (resistencia de diseño en un día), resistencia a altas temperaturas y resistencia a los sulfatos, ácidos flacos y agua de la mar. La combinación del cemento portland y del cemento de aluminato de calcio se ha empleado para el preparo de concretos y morteros de fraguado rápido. Las aplicaciones típicas de los concretos de aluminato de calcio incluyen: pisos industriales con resistencia química, resistencia a altas temperaturas y resistencia a corrosión; revestimientos refractarios moldeados y reparos. Las normas que tratan de estos cementos incluyen la norma británica BS 915-2 y la norma francesa NF P 15-315. El concreto de cemento de aluminato de calcio se lo debe preparar con baja relación agua-cemento (menos de 0.40), para minimizarse la conversión de los productos hidratados menos estables de aluminato de calcio hexagonal (CAH10) en: aluminato tricálcico hidratado cúbico (C3AH6), el cual es más estable, alúmina hidratada (AH3) y agua. A lo largo del tiempo y en condiciones particulares de humedad y temperatura, esta conversión puede causar una disminución del 53% del volumen del material hidratado. Sin embargo, este cambio interno de volumen ocurre sin una alteración dramática de las dimensiones totales del miembro de concreto, resultando en un aumento de porosidad de la pasta y reducción de la resistencia a compresión. Con relaciones agua-cemento bajas, no hay espacio suficiente para que todo el aluminato de calcio reaccione y forme CAH10. El agua liberada por la conversión reacciona con más aluminato de calcio, compensando parcialmente los efectos de la conversión. La resistencia de diseño del concreto se debe basar en la resistencia convertida. Debido a este fenómeno de conversión, el cemento de aluminato de calcio se emplea normalmente en aplicaciones sin finalidades estructurales y se lo usa con cautela (o sencillamente no se lo usa) en aplicaciones estructurales (Taylor 1997).

Cementos de Fosfato de Magnesio El cemento de fosfato de magnesio es un cemento de fraguado rápido y alta resistencia inicial. Se lo utiliza normalmente en aplicaciones especiales, tales como reparos de pavimentos y estructuras de concreto o por ejemplo en ciertos productos químicos. Este cemento no contiene cemento portland.

CEMENTOS EN LATINOAMÉRICA Cementos en Argentina Los cementos en Argentina se clasifican según las normas IRAM 50000 e IRAM 50001, en cementos para uso general y cementos con propiedades especiales, respectivamente. 43


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 producido especialmente para la fabricación de productos de fibrocemento.

Cementos en Bolivia La Norma Boliviana del Cemento (NB 011): Cemento – Definiciones, Clasificación y especificaciones, presenta los siguientes tipos de cementos: 1) Cementos Portland, los cuales se subdividen en: cemento portland tipo I (con hasta 5% de adiciones minerales), cemento portland con puzolana tipo IP (de 6% a 30% de puzolana y hasta 5% de otras adiciones minerales), cemento portland con filler calizo tipo IF (hasta 15% de filler y hasta 5% de otras adiciones minerales), cemento puzolánico tipo P, con hasta 40% de puzolana y 5% de otras adiciones minerales. 2) Cementos con características especiales, los cuales pueden tener propiedades especiales como resistencia a los sulfatos, bajo calor de hidratación y cemento blanco. Los cementos se pueden, aún, clasificar por su categoría de resistencia como alta, media y corriente, respectivamente para las resistencias a compresión a los 7 días de 40 MPa, 30 MPa y 25 MPa (400 kg/cm2 [5800 lb/pulg2], 300 kg/cm2 [4350 lb/pulg2] y 250 kg/cm2 [3600 lb/pulg2]). Los cementos comercialmente disponibles en Bolivia son el IF e IP de media resistencia y el IP de alta resistencia.

Cementos en Colombia La NTC 30 (Cemento Portland – clasificación y nomenclatura) clasifica los cementos colombianos en seis tipos básicos: 1) cemento portland tipo 1, para el uso general. Este cemento puede, también, ser tipo 1-M, el cual presenta resistencias más elevadas, tipo 1-M-A y tipo 1-A, ambos con materiales inclusores de aire, 2) cemento portland de moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación, el cual puede recibir material inclusor de aire (tipo 2-A), 3) cemento portland tipo 3, el cual presenta alta resistencia inicial y puede recibir inclusor de aire (tipo 3-A), 4) cemento portland tipo 4, el cual desarrolla bajo calor de hidratación, 5) cemento portland de alta resistencia a los sulfatos y 6) el cemento portland blanco. La NTC 31 (Ingeniería civil y arquitectura – cemento: definiciones) define el cemento portland como un material que se puede obtener tanto por la pulverización del clínker con el sulfato, como también puede recibir adiciones, que no interfieran en las propiedades de cada tipo de cemento. Esta norma presenta más seis tipos de cemento: 1) cemento portland de escoria de alto horno, la cual permite la adición del 15% al 85% de escoria granulada de alto horno, 2) cemento siderúrgico supersulfatado, producto que contiene escoria granulada de alto horno y pequeñas cantidades de clínker portland, cemento portland y cal hidratada o una combinación de estos materiales y sulfato de calcio. El contenido de escoria de alto horno debe ser superior al 70% de la masa total, 3) cemento portland puzolánico, el cual posee un contenido de puzolana entre el 25% y el 50% de la masa total, 4) cemento portland con adiciones, el cual puede presentar un contenido de adiciones de el 15% a el 30% de la masa total, 5) cemento de albañilería que es un producto obtenido por la pulverización conjunta de clinker y materiales con propiedades hidráulicas o puzolánicas y la adición de sulfato de calcio. El contenido de materiales adicionales debe estar comprendido entre el 15% y el 50% de la masa total, 6) cemento aluminoso, producido a través de la pulverización del clínker aluminoso, el cual debe presentar una cantidad de óxido de aluminio superior al 30% y la de óxido de hierro inferior a 20% de la masa total. Los cementos comercialmente disponibles en el mercado colombiano son: tipo 1, tipo 1M, tipo 2, tipo 3, cemento siderúrgico, cemento ASTM tipo II y cemento blanco tipos 1 y 2.

Cementos en Chile Los cementos en Chile se clasifican, según la norma NCh148 (Cemento – terminología, clasificación y especificaciones generales), en cinco clases y 2 grados: 1) cemento portland, el cual tiene como máximo 3% de adiciones, 2) cemento siderúrgico. El cemento portland siderúrgico puede tener hasta 30% de adición de escoria de alto horno, mientras que el cemento siderúrgico tiene del 30% al 75% de adición de escoria, en masa, 3) cemento con agregado tipo A. El cemento portland con agregado tipo A puede tener hasta 30% de agregado tipo A, mientras que el cemento con agregado tipo A tiene del 30% al 50% de adición de agregado tipo A. El agregado tipo A es una mezcla de material calcáreo-arcilloso que ha sido calcinado a una temperatura superior a 900°C y materiales a base de óxido de aluminio, silicio e hierro; 4) cemento puzolánico. El cemento portland puzolánico puede recibir hasta 30% de adición de puzolana, mientras que el cemento puzolánico tiene del 30% al 50% de puzolana y 5) cemento con fines especiales, los cementos de las clases anteriores pueden estar de acuerdo con dos grado, cemento corriente (resistencia compresión mínima a los 28 días de 25 MPa [250 kg/cm2 o 3600 lb/pulg2]) y cemento de alta resistencia (resistencia compresión mínima a los 28 días de 35 MPa [350 kg/cm2 o 5100 lb/pulg2]). Los cementos comercialmente disponibles en Chile son el cemento portland, el cemento portland de alta resistencia inicial siderúrgico, el cemento portland de alta resistencia, el cemento siderúrgico, el cemento portland puzolánico, el cemento puzolánico y un cemento

Cementos en Costa Rica Los cementos en Costa Rica se clasifican según la norma NCR 40 (Norma para Cementos Hidráulicos) en ocho tipos diferentes: 1) Cemento hidráulico portland tipo I, el cual puede tener adición de hasta 10% de otros materiales que 44


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos no el clínker, tales como fillers calizos, puzolanas, cenizas volantes y sulfato de calcio, siendo que éste último no debe exceder 5% de la masa total del cemento. Este cemento también puede presentar características de bajo contenido de álcalis; 2) Cemento portland 1 modificado con puzolana – Tipo I (MP), el cual tienen hasta 5% de caliza y hasta 15% de puzolana; 3) Cemento portland puzolánico – Tipo P, que tiene hasta 5% de caliza y hasta 40% de puzolana ; 4) Cemento portland I modificado con caliza – Tipo I (MC), el cual tiene del 5% al 15% de adición de caliza; 5) Cemento portland Tipo II, que es un cemento de moderada resistencia a sulfatos, compuesto básicamente por clínker y un regulador de fraguado. Este cemento también puede presentar características especiales de moderado calor de hidratación y bajo contenido de álcalis; 6) Cemento portland Tipo III, que es un cemento de elevada resistencia temprana a compresión; 7) Cemento tipo IV, es un cemento de bajo calor de hidratación, compuesto básicamente por clínker y un regulador de fraguado. Este cemento también puede presentar características de moderada y alta resistencia a sulfatos y bajo contenido de álcalis; 8) Cemento portland Tipo V, que es un cemento de alta resistencia a sulfatos, el cual puede presentar características de bajo contenido de álcalis. Además de estos, los cementos tipo I, II y III pueden tener características especiales de moderada resistencia a sulfatos (MS), alto contenido de aire (A) y bajo calor de hidratación (MH). Los cementos disponibles comercialmente en Costa Rica son Tipo I, Tipo I (MP), Tipo I (MC), Tipo P, ARI (alta resistencia inicial) y el cemento de albañilería.

pueden componer del 6% al 35% de escoria, del 6% al 35% de material puzolánico, del 1% al 10% de humo de sílice y del 6% al 35% de caliza. Independientemente del tipo y cantidad de material adicionado, la cantidad de clínker e yeso debe ser del 50% al 94%; CPS – cemento portland con humo de sílice, que recibe del 1% al 10% de humo de sílice; CEG – cemento con escoria de alto horno, el cual tiene una cantidad de escoria que varía del 61% al 80%. Además, estos cementos pueden presentar características especiales, tales como RS – resistente a sulfatos; BRA – baja reactividad álcali-agregado; BCH – bajo calor de hidratación; B – blanco. Los cementos aún se dividen en clases de resistencia: 20, 30, 40, las cuales designan resistencias a compresión mínima a los 28 días de 20 MPa, 30 MPa y 40 MPa (200 kg/cm2, 300 kg/cm2 y 400 kg/cm2), respectivamente. Hay aún más dos clases de resistencia: 30R y 40R, que además de presentar resistencia a compresión mínima a los 28 días de 30 MPa y 40 MPa, respectivamente, también deben presentar resistencia a compresión a los 3 días de 20 MPa (200 kg/cm2) y 30 MPa (300 kg/cm2), respectivamente. La norma también especifica resistencias máximas a los 28 días, para las clases 20, 30 y 30R. El tiempo mínimo de fraguado inicial de todas las clases es 45 minutos. Los cementos se designan por uno de los 6 tipos de cementos, seguido por la clase de resistencia y por la característica especial. Por ejemplo, un cemento portland puzolánico de clase resistente 30R, de baja reactividad álcali-agregado y bajo calor de hidratación, se designaría como CPP 30R BRA/BCH. La norma NMX – C – 184 presenta el cemento de escoria, que se compone del 65% al 90% de escoria de alto horno. Además de estos cementos, aún están disponibles en el mercado mexicano, el cemento para servicios de albañilería y el cemento para cementaciones de pozo de petróleo tipo G (según la norma NMX – C – 315).

Cementos en El Salvador Los cementos fabricados en El Salvador, normalmente cumplen con las normas ASTM C 150, ASTM C 595, ASTM C 91 y ASTM C 1157. Los disponibles en el mercado son: tipo I, tipo IP, albañilería M, tipo HE, tipo GU, blanco tipo I y un cemento que se asemeja al tipo I, pero tiene adición de puzolana y filler y se usa para la producción de prefabricados.

Cementos en Perú Cementos en México

Perú tiene una gran variedad de cementos, definidos por las normas NTP 334.009 (Cementos. Cemento portland – requisitos), NTP 334.090 (Cemento. Cemento portland adicionado – requisitos) y NTP 334.082 (Cementos portland especificación de la performance). Los cementos portland definidos en la norma NTP 334.009 son: tipo I (normal) con resistencia a los 7 días de 19 MPa (190 kg/cm2 o 2800 lb/pulg2), tipo II (moderada resistencia a los sulfatos), con resistencia a los 7 días de 17 MPa (170 kg/cm2 o 2500 lb/pulg2) y C3A máximo 8%, tipo III (alta resistencia inicial), tipo IV (bajo calor de hidratación), con resistencia a los 28 días de 17 MPa (170 kg/cm2 o 2500 lb/pulg2) y tipo V (alta resistencia a los sulfatos) con resistencia a los 28 días de 21 MPa (210 kg/cm2 o 3000 lb/pulg2) y C3A máximo

Los cementos mexicanos se especifican según la norma NMX –C-414- ONNCCE. De acuerdo con esta norma, hay seis tipos básicos de cementos: CPO – cemento portland ordinario, el cual puede tener hasta 5% de adición de materiales tales como escoria, puzolanas, humo de sílice o caliza; CPP – cemento portland puzolánico, que posee del 6% al 50% de material puzolánico, con relación a la masa total del cemento; CPEG – cemento portland con escoria de alto horno, el cual tiene del 6% al 60% de escoria; CPC – cemento portland compuesto, se compone de clínker, yeso y dos o más adiciones. Las adiciones se 45


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 cemento de albañilería. La UNIT 1011 trae los requisitos para el cemento con filler calcáreo, la UNIT 1024, los requisitos para el cemento de bajo calor de hidratación y la UNIT 984 presenta los requisitos del cemento de albañilería. Las Tablas 2.5, 2.6 y 2.7 presentan los cementos portland en Latinoamérica y las normas de especificación de estos cementos.

5%. Esta norma trae tanto requisitos químicos como también físicos para estos cementos. Los cementos adicionados son: el cemento portland puzolánico (IP y P), el cual puede tener del 15% al 40% de puzolana en masa, cemento portland puzolánico modificado – I(PM), que tiene hasta 15% de puzolana, cemento portland de escoria, el cual tiene del 25% al 70% de adición de escoria de alto horno, cemento portland de escoria modificado – I(SM), que puede tener hasta 25% de escoria, el cemento portland compuesto (I Co) que puede tener una adición de caliza o material inerte de hasta 30%, desde que este material tenga, como mínimo, 75% de CaCO3. Estos cementos pueden presentar una combinación de otras propiedades, como la moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación, a través da adición de los sufijos MS y MH, respectivamente. El requisito de resistencia a los 28 días de estos cementos es de 25 MPa (260 kg/cm2 o 3600 lb/pulg2), a excepción de los cementos IS(MH) y IP(MH), los cuales deben presentar, por lo menos, 20 MPa (200 kg/cm2 o 2900 lb/pulg2) y el cemento P, el cual debe presentar, por lo menos, 21 MPa (210 kg/cm2 o 3100 lb/pulg2) a los 28 días. La norma NTP 334.082 trae los requisitos de desempeño para los cementos portland para aplicaciones generales y especiales, sin restricciones a la composición o a los constituyentes de los cementos. Esta norma tiene como base la ASTM C 1157. La norma diferencia los cementos portland modificados (con hasta 15% de adiciones) de los cementos adicionados (con más del 15% de adiciones) y los clasifica según sus propiedades: tipo GU (construcciones generales), HE (alta resistencia inicial), MS (moderada resistencia a los sulfatos), tipo HS (alta resistencia a los sulfatos), tipo MH (moderado calor de hidratación) y LH (bajo calor de hidratación) y la opción R de baja reactividad a los álcalis con agregados reactivos. Los cementos comercialmente disponibles en el mercado peruano son: tipo I y tipo I (bajo contenido de álcalis), tipo II y tipo II (bajo contenido de álcalis), tipo V, tipo IP, tipo I(PM), tipo MS, tipo ICo y el cemento de albañilería.

Cementos en Venezuela Los cementos en Venezuela se especifican de acuerdo con COVENIN 28 (Cemento Portland – Especificaciones) y COVENIN 3134 (Cemento Portland con Adiciones. Especificaciones). La COVENIN 28 presenta cinco tipos básicos de cemento: Tipo I, para uso general. Este cemento debe presentar resistencia a compresión a los 28 días de, por lo menos, 27.4 MPa; el cemento Blanco se encuentra en esta categoría; Tipo II, cemento de moderada resistencia, a sulfatos; Tipo III, cemento de alta resistencia inicial. Éste debe presentar una resistencia a compresión mínima a los 3 días de 246 kg/cm2 o 24.1 MPa; Tipo IV, cemento de bajo calor de hidratación y Tipo V, de alta resistencia a sulfatos. Estos cementos deben tener un tiempo de fraguado inicial que supere los 45 minutos y un promedio de finura Blaine de 280 m2/kg, a excepción del cemento Tipo II que no posee límites para finura. La COVENIN 3134 presenta más cuatro tipos de cemento: Cemento portland con adición de caliza (CPCA), el cual tiene una adición de caliza del 5% al 15% de la masa del cemento; Cemento portland con adición de puzolana (CPPZ1, CPPZ2 y CPPZ3), el CPPZ1 tiene un contenido de puzolana que varía del 5% al 15%, el CPPZ2, tiene un contenido de puzolana que está entre 15% y 30% y el CPPZ3 tiene una cantidad de puzolana que varía del 30% al 40% de la masa del cemento; Cemento portland con adición de ceniza volante (CPCV), cuyo contenido de ceniza es mayor que 5% y menor que 40% y el Cemento portland con adición de escoria. Estos cementos deben tener un promedio de finura Blaine de 280 m2/kg, tiempo de fraguado inicial que supere los 45 minutos y una resistencia a compresión mínima a los 28 días de 250 kg/cm2 o 24.5 MPa, a excepción del CPPZ3, cuya resistencia a compresión mínima es de 210 kg/cm2 o 20.6 MPa. También se producen en Venezuela los cementos de albañilería tipo M, S y P y los cementos para pozos de petróleo A, B, G y H (según la API 10A).

Cementos en Uruguay La norma UNIT 512 (Cemento. Definiciones y nomenclatura) clasifica los cementos en: 1) cemento portland, 2) cemento portland de escoria, el cual puede tener del 25% al 65% de escoria, 3) cemento portland puzolánico, con un contenido de puzolana entre 15% y 40%, 4) cemento adicionado, que puede contener hasta 30% de adiciones y

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Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Tabla 2-5. Normas y Tipos de Cementos Portland Disponibles en Latinoamérica Tipo de Cemento Portland País Tipo

Norma

Tipo

Norma

Argentina

CPN

IRAM 50000

Bolivia

IF

NB 011

IRAM 50001

ARI

IRAM 50001

Chile

Cemento portland

Nch 148

ARI

Nch 148

Colombia

I

NTC 121 NTC 321

II

NTC 121 NTC 321

III

NTC 121 NTC 321

Costa Rica

I2

NCR 40

II3

NCR 40

III4 o ARI

NCR 40

Ecuador

I

INEN 151 y 152

II

INEN 151 y 152

III

INEN 151 y 152

El Salvador

I

ASTM C 150

III

ASTM C150

Guatemala

I

NGO41001

México

CPO

NMX – C – 414 – ONNCCE

5

NMX – C – 414 – ONNCCE

6

NMX – C – 414 – ONNCCE

Panamá

I

COPANIT 5

II

COPANIT 5

III

COPANIT 5

Paraguay

I–P

NP 70

Perú

I

NTP 334.009

II y MS

NTP 334.009 y NTP 334.082

Uruguay

P

UNIT 20

ARI

UNIT 20

Venezuela

I

COVENIN 28

II

COVENIN 28

III

COVENIN 28

Argentina

2

3

4

5

6 7 8

Tipo

Alta Resistencia Inicial

Norma

País

1

Moderada resistencia a los Sulfatos

Normal

Alta Resistencia a los Sulfatos

Bajo Calor de Hidratación

Blanco

Tipo

Norma

Tipo

Norma

Tipo

Norma

7

IRAM 50001

ARS

IRAM 50001

Chile

I Blanco

Nch 148

Colombia

Portland Blanco

NTC 1362

Costa Rica

IV

NCR 40

V

NCR 40

Ecuador

Blanco

INEN 151 y 152

El Salvador

I – Blanco

ASTM C150

Guatemala

V

NGO41001

Blanco

NGO41001

México

8

NMX – C – 414 – ONNCCE

CPO B

NMX – C – 414 – ONNCCE

Panamá

I – Blanco

ASTM C150

Perú

V

NTP 334.009

Blanco

NTP334.050

Uruguay

BCH

UNIT 1024

Blanco

UNIT 20

Venezuela

IV

COVENIN 28

V

COVENIN 28

Blanco I

COVENIN 28

En Argentina, la propiedad de moderada resistencia a los sulfatos está presente en los cementos CPN y ARI. Este cemento puede tener características especiales de moderada resistencia a sulfatos (MS), alto contenido de aire (A) y bajo calor de hidratación (MH). Este cemento puede tener características especiales de moderada resistencia a sulfatos (MS), alto contenido de aire (A) y bajo calor de hidratación (MH). Este cemento puede tener características especiales de moderada resistencia a sulfatos (MS), alto contenido de aire (A) y bajo calor de hidratación (MH). Esta propiedad está presente como una característica especial que se puede añadir a los tipos básicos de cemento (CPO, CPP, CPEG, CPC, CPS, CEG) y se designa como RS. Esta característica se encuentra en los tipos básicos de cemento y se designa por las clases 30R y 40R. La característica de bajo calor de hidratación está disponible en Argentina en el cemento portland puzolánico. Esta propiedad está presente como una característica especial que se puede añadir a los tipos básicos de cemento (CPO, CPP, CPEG, CPC, CPS, CEG) y se designa como BCH.

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 2-6. Normas y Tipos de Cementos Modificados Disponibles en Latinoamérica Tipos de Cementos Portland Modificados Cemento Portland con filler calcáreo

País Argentina

Cemento Portland modificado con escoria

Cemento Portland modificado con puzolana

Tipo

Norma

Tipo

Norma

Tipo

Norma

CPF

IRAM 50000

CAH

IRAM 50000

Bolivia

IP

NB 011

Chile

Cemento portland siderúrgico

Nch 148

Cemento portland puzolánico

Nch 148

Colombia

1M

NTC 121 NTC 321

Costa Rica

I (MC)

NCR 40

I (MP)

NCR 40

Ecuador

1 (PM)

INEN 490

Guatemala

1 PM

NGO41001

México

CPS

NMX – C – 414 – ONNCCE

Perú

1 Co

NTP 334.090

IPM

NTP334.090

Venezuela

CPCA

COVENIN 28

Cemento con escoria

COVENIN 935

CPPZ1 y CPPZ2

COVENIN 28

Tabla 2-7. Normas y Tipos de Cementos Adicionados Disponibles en Latinoamérica Tipos de Cementos Portland Modificados País

Cemento Portland de Alto Horno

Cemento Puzolánico

Cemento Portland Compuesto

Tipo

Norma

Tipo

Norma

Tipo

Norma

Argentina

CPF

IRAM 50000

CAH

IRAM 50000

Argentina

PSL

IRAM 50000

CPP

IRAM 50000

Cemento Portland compuesto

IRAM 50000

Cemento con Escoria de alto horno

Bolivia

Chile

Cemento siderúrgico

Nch 148

Cemento puzolánico

Nch 148

Colombia

Cemento portland de escoria de alto horno

NTC 121 NTC 321

Costa Rica

P

NCR 40

Ecuador

1P, P

INEN 490

El Salvador

IP

ASTM 595

México

CPEG

NMX – C – 414 – ONNCCE

CPP

NMX – C – 414 – ONNCCE

CPC

NMX – C – 414 – ONNCCE

CEG

NMX – C – 414 – ONNCCE

Paraguay

S

NP 70

PZ

NP 70

Perú

IP

NTP 334.090

Venezuela

CPPZ3 y CPCV

COVENIN 28

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Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos

Usos de los Principales Tipos de Cementos en Latinoamérica

diferenciándose en su color. Se lo utiliza en elementos prefabricados de concreto, concreto arquitectónico, pisos y acabado de fachadas.

Cemento Portland Normal u Ordinario. Éste es un cemento para uso general, empleado cuando no sean necesarias propiedades especiales. Pero a este cemento se pueden añadir características especiales como en Argentina donde puede tener alta resistencia inicial, moderada o alta resistencia a los sulfatos, en Colombia donde puede tener alta resistencia, en México donde puede tener resistencia a sulfatos, baja reactividad álcali-agregado, bajo calor de hidratación o blanco y en Perú donde puede presentar bajo contenido de álcalis. Se lo puede utilizar en concreto armado, pavimentos, prefabricados, mampostería, concreto postensado y concreto pretensado.

Cementos Portland Modificados. Estos cementos se producen por la molienda conjunta del clínker y pequeñas cantidades de adiciones, tales como calizas, puzolanas y escorias. Son para uso general, cuando el concreto no necesite desarrollar alta resistencia inicial, a excepción del cemento ARI de Costa Rica. El área superficial Blaine de estos cementos es, normalmente, mayor para compensar las modificaciones de algunas propiedades (tasa de desarrollo de la resistencia, tiempo de fraguado). Los cementos portland con filler calcáreo son cementos que reciben pequeñas cantidades de caliza. En Costa Rica y Venezuela el contenido de caliza es de hasta 15 %, en Bolvia hasta 15%, en Argentina hasta 20% y en Colombia hasta 30%, en masa. En los cementos portland modificados con escoria se permiten cantidades mayores de adiciones: Argentina 35%, Chile 30% y Perú 25%. En los cementos portland modificados con puzolana la cantidad de puzolana adicionada es de hasta15% en Perú y hasta 30% en Chile, Bolivia y Venezuela.

Moderada Resistencia a los Sulfatos. Ha sido diseñado para estructuras que necesiten moderada resistencia a los sulfatos o bajo calor de hidratación. Se recomienda en edificios y construcciones industriales, puentes, estructuras expuestas a suelos, al agua con concentración moderada de sulfatos o al agua del mar o estructuras con gran volumen de concreto. En estos cementos el contenido de C3A se limita a 8%.

Cementos Portland Adicionados (Mezclados). La diferencia entre un cemento adicionado y uno modificado es la mayor cantidad de adición mineral en los adicionados, la cual influye en las principales propiedades del concreto: menor calor de hidratación, desarrollo más lento de la resistencia, menor permeabilidad y mayor durabilidad. El cemento portland de escoria se usa en construcciones en general, cuando sea necesaria resistencia a la reacción álcali-agregado o cuando se deseen baja permeabilidad y bajo calor de hidratación. Además, su uso es indicado en estructuras expuestas al agua del mar o a sulfatos. Ejemplos de empleo de este cemento son las presas y las estructuras de concreto masivo. Colombia es el país que permite el mayor contenido de escoria (85%), seguido de México y Paraguay (80%), Argentina y Chile (75%), Perú (70%) y Uruguay (65%). El cemento portland puzolánico se usa en concretos expuestos a condiciones severas, tales como sulfatos y también cuando agregados potencialmente reactivos se van a emplear. El concreto expuesto al agua del mar y el concreto prefabricado sometido al curado térmico son ejemplos de utilización de este tipo de cemento. En Argentina, Chile, Colombia y México el contenido de puzolana puede llegar al 50% y en Bolivia, Perú, Uruguay y Venezuela al 40%. La Tabla 2.8 presenta un resumen de las aplicaciones de los principales cementos en Latinoamérica.

Alta Resistencia Inicial. Normalmente se lo conoce como ARI. La alta resistencia inicial de este cemento normalmente es resultado de la mayor área superficial Blaine y no de los productos de hidratación del C3A. En la mayoría de los países, este cemento se compone de clínker e yeso, pero en Costa Rica puede recibir también pequeñas cantidades de caliza. Se lo utiliza en estructuras de concreto que necesitan de alta resistencia a edades tempranas, tales como pavimentos “fast-track”, concreto prefabricado, concreto de alto desempeño, concreto colocado en tiempo frío, concreto postensado y concreto pretensado. Bajo Calor de Hidratación. Esta es una propiedad encontrada en cementos indicados para estructuras de concreto masivo. Como el C3A y el C3S producen alto calor de hidratación, el contenido de estos compuestos se limita a 7% y 35%, respectivamente. Alta Resistencia a los Sulfatos. Este cemento se usa cuando la estructura va a estar en contacto con ambientes con alto contenido de sulfatos solubles, tales como cimentaciones en suelos agresivos, pavimentos, estructuras en contacto con el agua del mar, plantas industriales, plantas de tratamiento de agua potable y de aguas residuales. Normalmente el contenido de C3A permitido es 5%, a excepción de Argentina que limita el C3A a 4%. Blanco. Este cemento puede seguir los requisitos de otros cementos, por ejemplo del cemento portland común, pero

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 2-8. Aplicación de los cementos más comúnmente usados Aplicaciones

País

Uso general Argentina

CPN, CPF, CPC, CPP

Alta resistencia inicial

Moderada resistencia a los sulfatos

Alta resistencia a los sulfatos

Resistencia álcaliagregado

CPP (BCH, ARS, RRAA), CPE, CPP (BCH), CAH

CPN (ARI, MRS), ARI

CPN (ARI, MRS), CPE, CPP, CPN (MRS), ARI (MRS)

CPN (ARS), CPN (ARI, MRS), CPP (BCH, ARS, RRAA), ARS, CPC (ARS)

CPP (BCH, ARS, RRAA), CAH

Bajo calor de hidratación

Bolivia

IF, IP

Chile

Cemento portland puzolánico, cemento portland de alta resistencia, cemento portland

Cemento puzolánico

Cemento portland puzolánico de alta resistencia inicial, cemento portland de alta resistencia inicial siderúrgico

Cemento puzolánico, cemento siderúrgico

Colombia

1

Cemento siderúrgico

3

2, 1M

Cemento siderúrgico V

Costa Rica

I, I(MP)

IV

III

II

Ecuador

I, 1(PM)

II, P

III

II

CPO – BCH, CPP, CPEG, CPC, CPS, CEG

Cualquier cemento de las clases 30R y 40R

El Salvador

I, IP

México

CPO, CPP

Perú

I, I(PM), IP, 1Co

Uruguay

Venezuela

HE

Cemento portland, Cemento portland cemento de escoria, adicionado cemento cemento con puzolánico filler calcáreo I, CPPZ1, CPCA

1P, P

IV, CPPZ2, CPPZ3, CPCV, cemento con escoria

CPO-RS, CPEG, CPC

CEG

CPO - BRA, CPP, CPC

II, MS

V

I (bajo contenido de álcalis), II (bajo contenido de álcalis)

V, CPPZ3, CPCV

CPPZ1, CPPZ2, CPPZ3

Cemento portland de escoria, cemento puzolánico III

II, CPPZ1, CPPZ2, CPPZ3

en particular. Las especificaciones de proyecto deben enfocarse en la necesidad de la estructura de concreto y permitir la utilización de una variedad de materiales para que se alcancen estas necesidades. Si no se requieren propiedades especiales (tales como bajo calor de hidratación o resistencia a los sulfatos), se permite el uso de todos los cementos de uso general. Se debe observar que algunos tipos de cementos siguen también los requisitos de otros tipos de cemento, por ejemplo, todos los cementos ASTM tipo II atienden a los requisitos del cemento tipo I, pero ni todo cemento tipo I atiende a los requisitos del cemento tipo II. Consulte las Tablas 2.3 y 2.8 para la orientación sobre el uso de los diferentes tipos de cementos.

ELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE CEMENTOS Al especificarse el cemento para un proyecto, se debe estar seguro de la disponibilidad de los tipos de cemento, además, la especificación debe permitir flexibilidad en la selección del cemento. La limitación de un proyecto a un sólo tipo de cemento, una marca o una norma de cemento puede resultar en retrasos del proyecto y puede impedir el mejor uso de materiales locales. No se deben requerir los cementos con propiedades especiales, a menos que características especiales sean necesarias. Además, el uso de materiales cementantes suplementarios no debe inhibir el uso de cualquier cemento portland o cemento adicionado 50


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos granulada de alto horno, según las normas vigentes en el país. Como cualquier otra mezcla de concreto, se las debe ensayar antes de su utilización, para la verificación del tiempo de fraguado, del desarrollo de resistencia, de la durabilidad y de otras propiedades.

Disponibilidad de Cementos Algunos tipos de cementos pueden no estar disponibles prontamente en todas las regiones de los diferentes países. Por lo tanto, antes de se especificar un determinado tipo de cemento, se debe verificar su disponibilidad en la región donde será utilizado. El cemento portland común normalmente se encuentra en reserva y se lo suministra cuando no se ha especificado ningún tipo de cemento. En los Estados Unidos, los cementos portland normal y de moderada resistencia a los sulfatos corresponden al 90% de los despachos de las plantas de cemento. Algunos cementos pueden recibir más de una designación, por ejemplo, cemento normal con moderada resistencia a los sulfatos, lo que significa que atiende a los requerimientos de las especificaciones de ambos cementos. El cemento de alta resistencia inicial y el cemento blanco, normalmente están disponibles en grandes áreas metropolitanas o se los puede pedir especialmente. El cemento de bajo calor de hidratación, normalmente se fabrica cuando especificado en un proyecto específico (estructuras masivas como una presa) y, por lo tanto, corrientemente no está disponible para la entrega inmediata. El cemento de alta resistencia a los sulfatos sólo se puede encontrar en ciertas regiones o entonces se lo puede solicitar. Los cementos con aire incluido son difíciles de obtenerse, pues su popularidad disminuyó con el aumento de la popularidad de los aditivos inclusores de aire. Consulte PCA (2002) para las estadísticas del uso del cemento en los Estados Unidos. Si un determinado cemento no está disponible, normalmente se pueden obtener resultados similares con el uso de otro cemento que esté disponible. Por ejemplo, el concreto de alta resistencia inicial se puede preparar con el empleo de mayores contenidos de cemento y relaciones agua-cemento menores. También, se disminuyen los efectos del calor de hidratación con el uso de mezclas pobres, menores volúmenes de colado, enfriamiento artificial o la adición de puzolana. El cemento de alta resistencia a los sulfatos es más difícil de obtenerse, pero debido a la variedad de compuestos permitida por las especificaciones, el cemento de moderada resistencia a los sulfatos puede atender a los requisitos del cemento de alta resistencia a los sulfatos. En los Estados Unidos, aproximadamente la mitad de los departamentos de transporte de los estados utiliza las especificaciones del cemento AASHTO, a pesar de que la AASHTO designa cementos que no están disponibles en todos los sitios. Los cementos adicionados se los puede obtener con cierta facilidad, pero ciertos cementos pueden no estar disponibles en todas las regiones. Cuando los cementos adicionados sean necesarios, pero no estén disponibles, se puede alcanzar propiedades similares con el uso del cemento portland común y la adición al concreto, en la planta de concreto premezclado (elaborado, preparado, industrializado), de puzolana o escoria finamente

Aplicaciones Relacionadas con el Almacenamiento de Agua Potable Por décadas, se ha usado el concreto de manera segura en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable. Los materiales en contacto con el agua deben satisfacer a requisitos especiales para el control de la entrada de elementos en el abastecimiento de agua. Algunos sitios pueden solicitar que el cemento y el concreto atiendan a requisitos especiales del Instituto Nacional de Normas Norteamericanas/ Norma da Fundación Sanitaria Nacional (American National Standard Institute/ Nacional Sanitation Foundation Standard) ANSI/NSF 61, Componentes del Sistema de Agua Potable – Efectos en la Salud (Drinking Water System Components – Health Effects) o normas específicas de cada país. La ANSI/NSF 61 está adaptándose para cada estado de los EE.UU., para garantizar que los productos tales como tubería, recubrimientos y capas y procesos de abastecimiento sean seguros para su uso en sistemas de agua potable para la población. Los cementos que se usen en componentes de los sistemas de abastecimiento de agua potable, tales como tuberías y depósitos, se deben someter a los ensayos bajo la ANSI/NSF 61. Kanare (1995) resume las especificaciones y los programas de pruebas necesarios para la certificación del cemento para su uso en aplicaciones de agua potable. Consulte el código de construcción local o las autoridades locales para determinar si se requiere el uso de cementos certificados para proyectos de agua, tales como tuberías en concreto y depósitos en concreto (Fig. 2-24).

Fig. 2-24. El concreto ha demostrado décadas de uso seguro en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable, tales como tanques de concreto. (69082)

51


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Ejemplos: 10E-S es un cemento portland de alto horno que tiene un desempeño equivalente al cemento portland tipo 10. 40E-F es un cemento portland de ceniza volante que tiene un desempeño equivalente al cemento portland tipo 40. 50E-S/SF es un cemento adicionado ternario que tiene un desempeño equivalente al cemento portland tipo 50, con escoria como el principal material cementante suplementario y el humo de sílice el material cementante suplementario secundario.

Especificaciones Canadienses y Europeas En algunos casos, los proyectos diseñados por compañías de ingeniería de otros países se refieren a normas de cemento diferentes de las normas nacionales y de las normas ASTM y AASHTO. Por ejemplo, la norma europea de cemento, EN 197, aparece algunas veces en las especificaciones de proyecto. En la norma EN 197, los cementos tipos CEM I, II, III, IV y V no corresponden a los tipos de cementos en las normas Latinoamericanas y en los EE.UU., ni tampoco los cementos de la ASTM o los de las normas Latinoamericanas pueden sustituir los cementos EN especificados sin la aprobación del diseñador. El cemento CEM I es un cemento portland y los cementos CEM de II a V son cementos adicionados. La EN 197 también tiene clases (32.5, 42.5 y 52.5 MPa). A veces, no hay equivalencia directa entre los cementos de la ASTM y otras normas de cemento de los diferentes países, debido a las diferencias en los ensayos y límites de las propiedades requeridas. Cuando se ha especificado un cemento según una norma que no sea nacional o se ha especificado un cemento que no esté disponible en el mercado nacional, la mejor solución es informar al diseñador cuales son los cementos disponibles en la región y pedirle que modifique las especificaciones del proyecto para que se permita el uso del cemento disponible según las normas locales. Los cementos canadienses CSA A5 tipos 10, 20, 30, 40 y 50 son esencialmente los mismos de los tipos I a V de la ASTM C 150 (AASHTO m 85), respectivamente, excepto por la permisión de hasta 5% de caliza en los cementos tipos 10 y 30. Los cuatro tipos de cementos hidráulicos adicionados indicados en la CSA A362 son: Cemento portland de alto horno (S) Cemento portland de ceniza volante (F) Cemento portland de humo de sílice (SF) Cemento adicionado ternario

COMPUESTOS QUÍMICOS E HIDRATACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND En la fabricación del clínker de cemento portland, durante la calcinación, el calcio combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa del cemento. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda. Los químicos del cemento usan las siguientes abreviaturas químicas para describir los compuestos: A = Al2O3, C = CaO, F = Fe2O3, H = H2O, M = MgO, S = SiO2 y Æ = SO3. Se usa el término “fase” preferiblemente al término “compuesto” para describirse los componentes del clínker. Siguen los cuatro compuestos principales en el cemento portland, sus fórmulas químicas aproximadas y abreviaturas: Silicato tricálcico 3CaO·SiO 2 = C3S = C2S Silicato dicálcico 2CaO·SiO 2 = C3A Aluminato tricálcico 3CaO·Al2O 2 Ferroaluminato 4CaO·Al2O 2 ·Al2O 2 = C4AF tetracálcico Siguen las formas de sulfato de calcio, sus fórmulas químicas y abreviaturas: Sulfato de calcio anhidro (anhidrita) CaSO4 = CaO· SO3 = C Æ Sulfato de calcio dihidratado (yeso) CaSO4 · 2H2O · = CaO · SO3 · 2H2O = C Æ H2 Hemidrato de sulfato de calcio CaSO4 · 1⁄2H2O · = CaO · SO3 · 1⁄2H2O = C Æ H1/2

Sigue la nomenclatura de los cementos adicionados canadienses: TE-A/B Siendo:

El yeso, sulfato de calcio dihidratado, es la fuente de sulfato más empelada en el cemento. El C3S y el C2S en el clínker se conocen como alita y belita, respectivamente. La alita constituye del 50% hasta 70% del clínker, mientras que la belita es responsable por sólo 15% hasta 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% hasta 10% del clínker y los compuestos de ferrita del 5% hasta 15% (Taylor 1997). Estos y otros compuestos se los pueden observar y analizar a través del uso de técnicas microscópicas (consulte Fig. 2-25,

T = el desempeño equivalente para los cementos portland tipos 10, 20, 30, 40 o 50; E = una indicación que el cemento tiene un desempeño equivalente de las propiedades físicas especificadas en la CSA A 362, Tabla 2; A = el material suplementario predominante y B = el material suplementario secundario, sólo especificado en el caso del cemento ternario. 52


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos

Fig. 2-25. (izquierda) El examen de secciones finas pulidas de clinker portland muestra la alita (C3S) como cristales angulares y claros. Los cristales más oscuros y arredondeados son la belita (C2S). Aumento 400X. (derecha) Micrografía del microscopio electrónico de barrido (SEM) de los cristales de alita en el clinker portland. Aumento 3000X. (54049, 54068)

Tabla 2-9. Normas para el Análisis Químico del Clínker y del Cemento

ASTM C 1356 y Campbell 1999). La Tabla 2.9 trae algunas normas empleadas para el análisis químico. En presencia de agua, estos compuestos se hidratan (se combinan químicamente con el agua) para formar nuevos compuestos, los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto (Fig. 2-26). Los silicatos de calcio, C3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado (arcaicamente llamado de gel de tobermorita). El cemento portland hidratado contiene del 15% hasta 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 50% de silicato de calcio hidratado, en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado (Fig. 2-27). El C3A reacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetracálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso,

Normas

País Argentina

IRAM 1504, 1591-1, 1692

Chile

NCh147

Colombia

NTC 184

Ecuador

NTE 160, 192, 193, 194, 203

EE.UU.

ASTM C 1356

México

NMX – C – 131

Perú

NTP 334.086

Uruguay*

UNIT-NM 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 125, UNIT 22, 520, 1013

Venezuela

COVENIN 0109

* Las normas UNIT –NM son normas para el Uruguay y también para el MERCOSUR.

Fig. 2-26. Micrografías electrónicas de (izquierda) silicato dicálcico hidratado, (medio) silicato tricálcico hidratado y (derecha) cemento portland normal hidratado. Observe la naturaleza fibrosa de los productos hidratos de silicato de calcio. Fragmentos rotos de cristalitas de hidróxido de calcio angular también están presentes (derecha). La unión de las fibras y la adhesión de las partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cemento portland. Referencias (izquierda y el medio) Brunauer 1962 y (derecha) Copeland y Schulz 1962. (69110, 69112, 69099) 53


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Fig. 2-27. Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento (izquierda) aumento 500X y (derecha) aumento 1000X). (A7112, A7111)

anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 2.10. Brunauer (1957), Copeland y otros (1960), Lea (1971), Powers y Brownyard (1947), Powers (1961) y Taylor (1997) presentaron la estructura de los poros y la química de las pastas de cemento. La Figura 2-28 muestra los volúmenes relativos estimados de los compuestos en las pastas hidratadas de cemento portland. Un modelo computacional para la hidratación y el desarrollo de la microestructura, en la Web, se encuentra en NIST (2001) [http://vcctl.cbt.nist.gov]. El porcentaje aproximado de cada compuesto se puede calcular a través del análisis químico de los óxidos del

cemento anhidro (cálculos de Bogue). Debido a las imprecisiones de los cálculos de Bogue, se pueden determinar los porcentajes de los compuestos de manera más precisa a través de las técnicas de difracción de rayos X (ASTM C 1365, IRAM 1714, NTP 334.108). La Tabla 2.11 presenta la composición típica de los compuestos elementares así como la finura de cada uno de los principales tipos de cemento portland en los EE.UU. Normalmente se describen los elementos como óxidos sencillos para la consistencia de las normas. Sin embargo, raramente se encuentran en el cemento en la forma de óxidos. Por ejemplo, el azufre del yeso normalmente se designa como SO3 (trióxido de azufre), sin embargo el cemento no contiene ningún trióxido de azufre. Las cantidades de calcio, sílice y alúmina establecen la cantidad de

Tabla 2-10. Reacciones de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Expresados en óxidos) 2 (3CaO • SiO2) Silicato tricálcico

+ 11 H2O agua

= 3CaO • 2SiO2 • 8H2O Silicato de calcio hidratado (C-S-H)

+ 3 (CaO • H2O) Hidróxido de calcio

2 (2CaO • SiO2) Silicato dicálcico

+ 9 H2O agua

= 3CaO • 2SiO2 • 8H2O Silicato de calcio hidratado (C-S-H)

+ CaO • H2O Hidróxido de calcio

3CaO • Al2O3 Aluminato tricálcico

+ 3 (CaO • SO3 • 2H2O) Yeso

+ 26 H2O agua

= 6CaO • Al2O3 • 3SO3 • 32H2O Etringita

2 (3CaO • Al2O3) Aluminato tricálcico

+ 6CaO • Al2O3 • 3SO3 • 32H2O Etringita

+ 4 H2O agua

= 3 (4CaO • Al2O3 • SO3 • 12H2O) Monosulfoaluminato de calcio

3CaO • Al2O3 Aluminato tricálcico

+ CaO • H2O Hidróxido de calcio

+ 12 H2O agua

= 4CaO • Al2O3 • 13H2O Aluminato tretacálcico hidratado

4CaO • Al2O3 • Fe2O3 Ferroaluminato tretracálcico

+ 10 H2O agua

+ 2 (CaO • H2O) Hidróxido de calcio

= 6CaO • Al2O3 • Fe2O3 • 12H2O Ferroaluminato de calcio hidratado

Nota: Esta tabla enseña sólo las transformaciones principales y no las varias transformaciones que ocurren. La composición del silicato de calcio hidratado (C-S-H) no es estequiométrica (Tennis y Jennings 2000).

54


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Porosidad capilar

100

Porosidad

C-S-H

Cantidad

Ca(OH)2

C4(A, F)H13

Volumen relativo, %

C-S-H

75

5

30 7 2

Edad: Minutos

6

7

2

Horas

7

28

AFt y AFm

50

Sulfato de calcio C4 AF

25

lfato su no o M Etringita

0

Hidróxido de calcio

C3A

0

0

25

90

50

75

100

C 2S C 3S

Grado de hidratación, %

Días

Otro

Fig. 2-28. Volúmenes relativos de los compuestos principales en la microestrutura de las pastas de cemento en proceso de hidratación (izquierda) en función del tiempo (adaptado de Locher, Richartz y Sprung 1976) y (derecha) en función del grado de hidratación, estimado por el modelo de computadora para la relación agua-cemento de 0.50 (adaptado de Tennis y Jennings 2000). Los valores son para la composición media de un cemento tipo I (Gebhardt 1995): C3S = 55%, C2S = 18%, C3A = 10% y C4AF = 8%. “AFt y AFm” incluyen etringita (AFt) y monosulfoaluminato de calcio (AFm) y otros compuestos hidratados de aluminato de calcio. Consulte la Tabla 2-5 para la transformación de los compuestos.

Tabla 2-11. Composición Química, Composición de los Compuestos y Finura de los Cementos de los EE.UU. Tipo de cemento portland I (min-max) I (promedio) II** (min-max) II** (promedio) III (min-max) III (promedio) IV (min-max) IV (promedio) V (min-max) V (promedio) Blanco (min-max) Blanco (promedio)

Composición potencial de los compuestos, %

Composición química, % SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Na2O eq

C3S

C2S

C3A

C4AF

18.7-22.0 20.5 20.0-23.2 21.2 18.6-22.2 20.6 21.5-22.8 22.2 20.3-23.4 21.9 22.0-24.4 22.7

4.7-6.3 5.4 3.4-5.5 4.6 2.8-6.3 4.9 3.5-5.3 4.6 2.4-5.5 3.9 2.2-5.0 4.1

1.6-4.4 2.6 2.4-4.8 3.5 1.3-4.9 2.8 3.7-5.9 5.0 3.2-6.1 4.2 0.2-0.6 0.3

60.6-66.3 63.9 60.2-65.9 63.8 60.6-65.9 63.4 62.0-63.4 62.5 61.8-66.3 63.8 63.9-68.7 66.7

0.7-4.2 2.1 0.6-4.8 2.1 0.6-4.6 2.2 1.0-3.8 1.9 0.6-4.6 2.2 0.3-1.4 0.9

1.8-4.6 3.0 2.1-4.0 2.7 2.5-4.6 3.5 1.7-2.5 2.2 1.8-3.6 2.3 2.3-3.1 2.7

0.11-1.20 0.61 0.05-1.12 0.51 0.14-1.20 0.56 0.29-0.42 0.36 0.24-0.76 0.48 0.09-0.38 0.18

40-63 54 37-68 55 46-71 55 37-49 42 43-70 54 51-72 63

9-31 18 6-32 19 4-27 17 27-36 32 11-31 22 9-25 18

6-14 10 2-8 6 0-13 9 3-4 4 0-5 4 5-13 10

5-13 8 7-15 11 4-14 8 11-18 15 10-19 13 1-2 1

Finura Blaine m2/kg 300-421 369 318-480 377 390-644 548 319-362 340 275-430 373 384-564 482

* Estos valores representan un resumen de estadísticas combinadas. Los cementos con aire incluido (incorporado) no están incluidos. Para una homogeneización de la información, los elementos están expresos en la forma padrón de óxidos. Esto no significa que la forma de óxidos esté presente en el cemento. Por ejemplo, el azufre se reporta como SO3, trióxido de azufre, pero el cemento portland no contiene trióxido de azufre. La “composición potencial de los compuestos” se refiere a los cálculos de la ASTM C 150 (AASHTO M 85) usando la composición química del cemento. La composición real de los compuestos puede ser menor, debido a reacciones químicas incompletas o alteradas. ** Incluyendo los cementos finamente molidos. Adaptado de PCA (1996) y Gebhardt (1995).

los compuestos principales en el cemento y efectivamente las propiedades del cemento hidratado. El sulfato está presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de resistencia (Tang 1992). Batí (1995) y PCA (1992) discuten los elementos menores y su efecto en las propiedades del cemento. El conocimiento actual de la química del cemento indica que

los compuestos principales del cemento tienen las siguientes propiedades: Silicato Tricálcico, C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana (Fig. 2-29). En general, la resistencia temprana del concreto de cemento portland es mayor, cuando el porcentaje de C3S aumenta. 55


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Grado de la reacción, % de la masa

100%

Agua (Evaporable y No-evaporable) El agua es un ingrediente llave de las pastas, morteros y concretos, pues las fases en el cemento portland tienen que reaccionar químicamente con el agua para desarrollar resistencia. La cantidad de agua adicionada a la mezcla también controla la durabilidad. El espacio en la mezcla inicialmente lleno de agua, con el tiempo, se sustituye parcial o completamente mientras que las reacciones de hidratación ocurren (Tabla 2.10). Si se usa más que aproximadamente 35% de agua en masa de cemento – relación agua-cemento de 0.35 – va a permanecer una porosidad en el material endurecido, incluso después de la hidratación completa. Ésta se llama porosidad capilar. La Figura 2-30 muestra que pastas de cemento con alta y baja relación agua-cemento tienen masas iguales después del secado (el agua evaporable fue removida). El cemento consume la misma cantidad de agua en ambas pastas resultando en un volumen mayor en la pasta con relación agua-cemento mayor. A medida que la relación agua-cemento aumenta, la porosidad capilar aumenta y la resistencia disminuye. Las propiedades de transporte, tales como permeabilidad y difusividad también aumentan, permitiendo que substancias perjudiciales ataquen el concreto o la armadura más fácilmente. El agua en los materiales cementantes se encuentra en muchas formas. Agua libre es el agua de la mezcla que no reaccionó con las fases del cemento. La retenida es el agua químicamente combinada en las fases sólidas o físicamente adherida a las superficies del sólido. No es posible una separación confiable del agua químicamente combinada y del agua físicamente adsorbida. Por lo tanto, Powers (1949) distinguió agua evaporable y agua no-evaporable. El agua no-evaporable es la cantidad de agua retenida por un espécimen después de que se lo ha sujeto a procedimientos de secado para la remoción de toda el agua libre (tradi-

80%

60%

C3S

40%

C2S C3A C4AF

20%

Total 0% 0

20

40 60 Edad, días

80

100

Fig. 2-29. Reactividad relativa de los compuestos del cemento. La curva llamada “total” tiene una composición del 55% de C3S, 18% de C2S, 10% de C3A y 8% de C4AF, una composición media del cemento tipo I (Tennis y Jennings 2000).

Silicato Dicálcico, C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente para el aumento de resistencia en edades más allá de una semana. Aluminato Tricálcico, C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco para el desarrollo de las resistencias tempranas. Los cementos con bajos porcentajes de C3A resisten mejor a suelos y aguas con sulfatos. Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerización (clinquerización o cocción) durante la fabricación del cemento. Este compuesto contribuye muy poco para la resistencia. La mayoría de los efectos de color para la producción del cemento gris se deben al C4AF y sus hidratos. Sulfato de Calcio, como anhidrita (sulfato de calcio anhidro), yeso (sulfato de calcio dihidratado) o hemidrato, comúnmente llamado de yeso de parís (sulfato de calcio hemidrato), se adiciona al cemento durante la molienda final, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita (trisulfoaluminato de calcio). Esto controla la hidratación del C3A. Sin sulfato, el fraguado del cemento sería rápido. Además del control del fraguado y del desarrollo de resistencia, el sulfato también ayuda a controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia hasta 28 días (Lerch 1946). Además de los compuestos principales arriba, existen también numerosas otras formulaciones de compuestos (PCA 1997, Taylor 1997, Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-30. Cilindros de pastas de cemento de pesos iguales y el mismo contenido de cemento, pero mezclados con diferentes relaciones agua-cemento, enseñados después que toda el agua se ha evaporado. (1072)

56


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos cionalmente a través del calentamiento a 105°C). El agua evaporable ha sido originalmente considerada como agua libre, pero ahora se reconoce que parte de la adsorbida también puede ser perdida bajo calentamiento a esa temperatura. Toda el agua no-evaporable es agua combinada, pero el opuesto no es verdadero. Para la completa hidratación del cemento portland, sólo aproximadamente 40% de agua es necesaria (relación agua-cemento de 0.40). Si la relación agua-cemento es mayor que 0.40, el exceso del agua que no se utiliza para la hidratación permanece en los poros capilares o se evapora. Si la relación agua-cemento es menor que 0.40, parte del cemento va a permanecer anhidro. Para estimarse el grado de hidratación del material hidratado, normalmente se usa el contenido de agua noevaporable. Para convertir la cantidad de agua no-evaporable medida en el grado de hidratación, se hace necesario el conocimiento del valor de la relación agua noevaporable – cemento (an/c) para la hidratación completa. La determinación de esta relación se hace experimentalmente con el preparo de una pasta de alta relación aguacemento (por ejemplo 1.0) y su molienda continua en un molino de bolas mientras que se hidrata. En este procedimiento, la completa hidratación del cemento se logrará después de 28 días. Alternativamente, se puede obtener de la composición potencial de Bogue del cemento un valor estimado de la relación agua no-evaporable – cemento (an/c) para la completa hidratación. El contenido de agua no-evaporable para la mayoría de los compuestos del cemento portland se presenta en la Tabla 2.12. Para un cemento ASTM tipo I típico, estos coeficientes van a resultar en un (an/c) calculado para la hidratación completa del cemento de 0.22 a 0.25.

Tabla 2-12. Contenido de Agua No-evaporable para la Hidratación Completa de los Compuestos del Cemento Compuesto del cemento hidratado C3S hidratado C2S hidratado C3A hidratado C4AF hidratado Cal libre (CaO)

Contenido de agua non-evaporable (combinada) (g agua/g compuesto del cemento) 0.24 0.21 0.40 0.37 0.33

PROPIEDADES FÍSICAS DEL CEMENTO Las especificaciones de cemento presentan límites para las propiedades físicas y para la composición química. La comprensión de la importancia de las propiedades físicas es útil para la interpretación de los resultados de los ensayos de los cementos. Los ensayos de las propiedades físicas de los cementos se deben utilizar para la evaluación de las propiedades del cemento y no del concreto. Las especificaciones del cemento limitan las propiedades de acuerdo con el tipo de cemento. Durante la fabricación, se monitorean continuamente la química y las siguientes propiedades del cemento:

Tamaño de las Partículas y Finura El cemento portland consiste en partículas angulares individuales, con una variedad de tamaños resultantes de la pulverización del clínker en el molino (Fig. 2-31 izquierda). Aproximadamente 95% de las partículas del cemento son menores que 45 micrómetros, con un promedio de partícu-

Masa acumulada, porcentaje

100 Curva de la distribución típica del tamaño de partículas para los cementos ASTM Tipo I o Tipo II

80 60 40 20 0 100

50

20

10

5

2

1

0.5

Diámetro esférico equivalente, µm

Fig. 2-31. (izquierda) Micrografía electrónica de barrido de un polvo de cemento con aumento de 1000X y (derecha) distribución del tamaño de las partículas del cemento portland. (69426) 57


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 que mide indirectamente el área superficial de las partículas de cemento por unidad de área. Cementos con partículas más finas tienen mayor área superficial en metros cuadrados por kilogramo de cemento. Se han empleado, en el pasado, centímetros cuadrados por gramo, pero, actualmente, se consideran estas medidas arcaicas. A excepción de la AASHTO M 85, la mayoría de las normas de cemento no tienen un límite máximo para la finura, sólo mínimo. Se puede utilizar en los ensayos de finura, el ensayo del turbidímetro de Wagner (Fig. 2-32, Tabla 2.14), el tamiz de 45 micrómetros (No. 325) (Fig.2-33, Tabla 2.14) o los tamices de 150 µm (No. 100) y 75 µm (No. 200) (Tabla 2.14) y el analizador electrónico de tamaño de partículas (Rayos X o láser) (Fig. 2-34). Los datos de la finura Blaine para los cementos Norteamericanos se presentan en la Tabla 2.11.

las de 15 micrómetros. La Figura 2-31 (derecha) ilustra la distribución del tamaño de las partículas para el cemento portland. La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama “finura”. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento (partículas menores) aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Los efectos de la mayor finura sobre la resistencia de las pastas se manifiestan, principalmente, durante los primeros siete días. A principio del siglo XX, la finura del cemento se expresaba como masa del cemento por fracción de tamaño (porcentaje de la masa retenida en tamaños de tamices específicos). Hoy en día, la finura normalmente se mide por el ensayo de permeabilidad al aire Blaine (Tabla 2.13)

Tabla 2-13. Normas de Ensayos para la Determinación de la Finura por el Método de Permeabilidad Blaine País

Norma

Nombre

Argentina

IRAM 1623

Cemento portland. Método de ensayo de finura por tamizado seco y por determinación de la superficie específica por permeabilidad al aire (método de Blaine).

Chile

NCh159

Cemento - Determinación de la superficie específica por el permeabilímetro según Blaine

Colombia

NTC 4985

Cementos. Método de ensayo para determinar la finura del cemento hidráulico por medio del equipo de barrido por aire

Ecuador

NTE 0196

Cementos. Determinación de la finura. Método de Blaine

EE.UU.

ASTM C 204

Método de ensayo para la determinación de la finura del cemento hidráulico a través del aparato de permeabilidad al aire

AASHTO T 153

Finura del cemento hidráulico a través del aparato de permeabilidad al aire

Guatemala

NGO 41014 h2

Cemento portland. Determinación de la finura con el aparato Blaine para medir permeabilidad al aire

México

NMX – C – 056 – 1997 – ONNCCE

Determinación de la finura de los cementantes hidráulicos (Método de permeabilidad al aire)

Perú

NTP 334.002

Cementos. Determinación de la finura expresada por la superficie específica (Blaine)

Uruguay

UNIT-NM 76

Cemento portland. Determinación de la finura mediante la permeabilidad al aire (método de Blaine)

Venezuela

COVENIN 0487

Cemento Portland. Determinación de la finura por medio del aparato Blaine de permeabilidad

Fig. 2-32. Aparato del ensayo de Blaine (izquierda) y turbidímetro de Wagner (derecha) para la determinación de la finura del cemento. Los valores de finura de Wagner son un poco mayores que la mitad de los valores de Blaine. (40262, 43815)

58


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Tabla 2-14. Normas de Ensayos para la Determinación de la Finura del Cemento País

Norma

Nombre

Argentina

IRAM 1621

Cemento portland. Método de ensayo de finura por tamizado húmedo

IRAM EXP 1623

Cemento portland. Método de ensayo de finura por tamizado seco y por determinación de la superficie específica por permeabilidad al aire (método de Blaine).

NCh150

Cemento - Determinación de la finura por tamizado

NCh149

Cemento - Determinación de la superficie específica por el turbidímetro de Wagner

NTC 226

Cementos. Método de ensayo para determinar la finura del cemento hidráulico por medio de los tamices de 75 µm - (No. 200) - y 150 µm - (No. 100).

NTC 294

Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método para determinar la finura del cemento hidráulico sobre el tamiz ICONTEC 45 µm (No. 325)

NTC 597

Determinación de la finura del cemento portland por medio del turbidímetro.

NTE 0489

Cementos. Determinación de la finura por tamizado seco

NTE 0957

Cementos. Determinación de la finura por tamizado húmedo.

NTE 0197

Cementos. Determinación de la finura. Método del turbidímetro de Wagner

ASTM C 430

Método de ensayo para la finura del cemento hidráulico por tamizado 45 µm (No. 325)

AASHTO T 192

Finura del cemento hidráulico por tamizado 45 µm (No. 325)

ASTM C 184

Método de ensayo para la finura del cemento hidráulico por tamizado 150 µm (No. 100) y 75 µm (No. 200)

AASHTO T 128

Finura del cemento hidráulico por tamizado 150 µm (No. 100) y 75 µm (No. 200)

ASTM C 115

Método de ensayo para la finura por turbidímetro

AASHTO T 98

Finura del cemento portland por turbidímetro

NGO 41003 h8

Cementos hidráulicos. Determinación de finura por tamizado seco con tamices No. 100 (150 µm) y No. 200 (75 µm)

NGO 41003 h22

Cementos hidráulicos. Determinación de la finura usando un tamiz No. 325 (45 µm)

NGO 41014 h3

Cemento portland. Determinación de la finura por turbidimetría.

NMX – C – 049 – 1997 – ONNCCE

Método de prueba para la determinación de la finura de los cementantes hidráulicos mediante el tamiz 130 µm.

NMX-C-150

Determinación de la finura de cementantes hidráulicos mediante el tamiz 80 µm (No. 200)

NMX – C - 55

Método de prueba para determinar finura de los cementantes hidráulicos (método turbidimétrico)

NTP 334.058

Cementos. Método de ensayo para determinar la finura por tamizado seco con tamices ITINTEC 149 µm (No. 100) e ITINTEC 74 µm (No. 200)

NTP 334.046

Cementos. Método de ensayo para determinar la finura por tamizado húmedo con tamiz ITINTEC 149 µm (No. 100) y 74 µm (No. 200)

NTP 334.045

Cementos. Método de ensayo para determinar la finura por tamizado húmedo con tamiz normalizado 45 µm (No. 325).

NTP 334.072

Cementos. Determinación de la finura del cemento portland por medio del turbidímetro

UNIT 327

Cementos. Método de determinación de finura por tamizado seco con tamices. UNIT 149 y 74.

UNIT 1064

Cementos. Método de determinación de la finura por tamizado húmedo con tamiz 75 µm

COVENIN 0489

Cemento Portland. Determinación de la finura por medio del cedazo (45 micras) No. 325

COVENIN 0488

Cemento Portland. Determinación de la finura por medio del turbidímetro

Chile

Colombia

Ecuador

EE.UU.

Guatemala

México

Perú

Uruguay

Venezuela

59


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Fig. 2-34. Un analizador de partículas a láser que usa difracción de láser para determinar la distribución del tamaño de las partículas en el polvo. La Fig. 2-31 (derecha) ilustra los valores típicos. (69390)

Fig. 2-33. Ensayos acelerados (ensayos rápidos), tales como el lavado de cemento encima de este tamiz de 45 micrómetros, ayudan a controlar la finura del cemento durante la producción. Se presenta una vista del receptáculo del tamiz (cedazo). La foto más pequeña, a la derecha, presenta una vista, de arriba, de una muestra de cemento en el tamiz antes que sea lavada con agua (68818, 68819).

Sanidad La sanidad se refiere a la habilidad de la pasta de cemento en mantener su volumen. La falta de sanidad o la expansión destructiva retardada se puede causar por la cantidad excesiva de cal libre o magnesia supercalcinadas. La mayoría de las especificaciones para cemento portland limitan el contenido de magnesia (periclasa) y la expansión máxima que se mide por el ensayo de expansión en autoclave. Desde la adopción del ensayo de expansión en autoclave en 1943 en los EE.UU. (Tabla 2.15), pocos casos de expansiones se han atribuido a la falta de sanidad (Fig. 2-35) (Gonnerman, Lerch y Whiteside 1953). Fig. 2-35. En el ensayo de sanidad, las barras con sección cuadrada de 25 mm son expuestas a altas temperaturas y a la presión en autoclave para determinarse la estabilidad de volumen de la pasta de cemento. (23894)

Tabla 2-15. Ensayos de Expansión en Autoclave del Cemento País

Norma

Nombre

Argentina

IRAM 1620

Cemento portland. Método de determinación de la constancia de volumen mediante ensayo en autoclave

Chile

NCh157

Cemento - Ensayo de expansión en autoclave

Ecuador

NTE 0200

Cemento Portland. Determinación de la expansión. Método del autoclave

EE.UU.

ASTM C 151

Método de ensayo para la expansión en autoclave del cemento portland

AASHTO T 107

Expansión en autoclave del cemento portland

Guatemala

NGO 41014 h1

Cemento portland. Determinación de la expansión en autoclave

México

NMX-C 062-97

Método de prueba para determinar la sanidad de cementantes hidráulicos

Perú

NTP 334.004

Cementos. Ensayo en autoclave para determinar la estabilidad de volumen

Uruguay

UNIT 514

Cementos. Ensayo de autoclave para determinar la estabilidad de volumen

Venezuela

COVENIN 0491

Cemento Portland. Determinación de la expansión en autoclave 60


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos adición del agua hasta cuando la pasta deja de tener fluidez y de ser plástica (llamado fraguado inicial) y (2) del tiempo requerido para que la pasta adquiera un cierto grado de endurecimiento (llamado fraguado final). Para determinar si un cemento se fragua de acuerdo con los límites especificados en las especificaciones de cemento, los ensayos se realizan con el uso del aparato de Vicat (Tabla 2.16) (Fig. 2-38) o la aguja de Gillmore (Tabla 2.17) (Fig. 2-39). El ensayo de Vicat gobierna si no se especi- Fig. 2-38. El ensayo del tiempo de fraguado en pasta usando la fica ningún ensayo por aguja de Vicat. (23890)

Consistencia La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir. Durante los ensayos de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, definidas como la penetración de 10 ± 1 mm de la aguja de Vicat (ASTM C 187, AASHTO T 129, COVENIN 494, IRAM 1612, Nch151, NMX–C–057–1997– Fig. 2-36. Ensayo de consistenONNCCE, NTC 110, cia normal para pastas usando NTE 0157, NTP 334.074, la aguja de Vicat. (68820) UNIT-NM 43) (Fig. 236). Se mezclan los morteros para obtenerse una relación aguacemento fija o proporcionar una fluidez dentro de un rango prescrito. La fluidez de los morteros se determina en una mesa de fluidez (mesa de caídas, mesa de sacudidas) como descrito en las normas ASTM C 230, ASTM C 1437, AASHTO M 152, COVENIN 0485, Fig. 2-37. Ensayo de consis- Nch 2257/1, NMX-Ctencia para morteros usando la 144, NTC 111, NTP mesa de fluidez. El mortero se coloca en un molde de latón cen- 334.057 (Fig. 2-37). Amtralizado en la mesa (foto pe- bos métodos, el de queña, a la derecha). El técnico consistencia normal y el debe usar guantes al manosear de fluidez, se usan para el mortero para la protección de regular la cantidad de su piel. Después que se remueve el molde y se somete la mesa a agua en las pastas una sucesión de caídas, se mide y morteros, respectivael diámetro del mortero para mente, para que se los determinarse la consistencia. utilice en ensayos (68821, 68822) subsecuentes. Ambos permiten la comparación de ingredientes distintos con la misma penetrabilidad o fluidez.

Fig. 2-39. El tiempo de fraguado determinado por la aguja de Gillmore. (23892)

parte del comprador. El inicio del fraguado de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado temprano y el final del fraguado no debe ocurrir muy tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta está o no sufriendo reacciones normales de hidratación. El sulfato (del yeso u otras fuentes) en el cemento regula el tiempo del fraguado, pero este tiempo también se afecta por la finura, relación agua-cemento y cualquier aditivo empleado. El tiempo de fraguado del concreto no tiene correlación directa con el de las pastas debido a la

Tiempo de Fraguado El objetivo del ensayo del tiempo de fraguado es la determinación (1) del tiempo que pasa desde el momento de la

61


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 2-16. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Vicat País Argentina Chile Colombia

Norma IRAM 1619 NCh152 NTC 118

Ecuador EE.UU.

NTE 0158 ASTM C 191

Guatemala México Perú Uruguay Venezuela

AASHTO T 131 NGO 41003 h10 NMX – C – 059 – 1997 – ONNCCE NTP 334.006 UNIT-NM 65 COVENIN 0493

Nombre Cemento portland. Método de determinación del tiempo de fraguado. Cemento - Método de determinación del tiempo de fraguado. Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método de ensayo para determinar el tiempo de fraguado del cemento hidráulico mediante el aparato de Vicat. Cementos. Determinación del tiempo de fraguado. Método de Vicat. Método de ensayo para la determinación del tiempo de fraguado del cemento hidráulico con la aguja de Vicat. Tiempo de fraguado con la aguja de Vicat. Cementos hidráulicos. Determinación del tiempo del fraguado usando agujas de Vicat. Determinación del tiempo de fraguado de cementantes hidráulicos (método de Vicat). CEMENTOS. Determinación del fraguado utilizando la aguja de Vicat. Cemento portland. Determinación del tiempo de fraguado. Cemento Portland. Determinación del tiempo de fraguado por la aguja de Vicat.

Tabla 2-17. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Gillmore País Colombia

Norma NTC 109

Ecuador EE.UU.

NTE 0159 ASTM C 266

Guatemala México Perú

AASHTO T 154 NGO 41003 h9 NMX C 58-67 NTP 334.056

Nombre Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método para determinar los tiempos de fraguado del cemento hidráulico por medio de las agujas de Gillmore. Determinación del tiempo de fraguado. Método de Gillmore. Método de ensayo para el tiempo de fraguado de pastas de cemento hidráulico, a través de las agujas Gillmore. Tiempo de fraguado del cemento hidráulico a través de las agujas Gillmore. Cementos hidráulicos. Determinación del tiempo de fraguado usando agujas de Gillmore. Determinación del tiempo de fraguado en cementantes hidráulicos (Método Gillmore). Cementos. Método de ensayo para determinar los tiempos de fraguado del cemento hidráulico por medio de las agujas de Gillmore.

pérdida de agua para el aire o substrato (lecho), presencia de agregado y diferencias de temperatura en la obra (en contraste con las temperaturas controladas en el laboratorio). La Figura 2-40 ilustra los promedios de los tiempos de fraguado para cementos portland.

Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido) El agarrotamiento prematuro (endurecimiento rápido) es el desarrollo temprano de la rigidez en las características de trabajabilidad o plasticidad de la pasta, mortero o concreto de cemento. Esto incluye ambos fraguados, el falso y el rápido. El falso fraguado se evidencia por la pérdida considerable de plasticidad, inmediatamente después del mezclado, sin ninguna evolución de calor. Desde el punto de vista de la colocación y manoseo, las tendencias de fraguado falso en el cemento no van a causar problemas, si se mezcla el concreto por un tiempo más largo que el usual o si el concreto es remezclado sin añadirle agua adicional antes de su transporte y colocación. El falso fraguado ocurre cuando una gran cantidad de sulfatos se deshidrata en el molino de cemento formando yeso. La causa del endurecimiento prematuro es la rápida cristalización o el entrelazamiento de las estructuras en forma de aguja con el yeso secundario. El mezclado complementario sin la adición del agua rompe estos cristales y restablece la trabajabilidad. La precipitación de etringita también puede contribuir para el falso fraguado.

Tipo V* Tipo IV** Tipo III Fraguado inicial Fraguado final

Tipo II Tipo I 0

50 100 150 200 250 030 350 400 450 Tiempo de fraguado, minutos (Método de Vicat)

*Promedio de dos valores para el fraguado inicial y un valor para el fraguado final **Promedio de dos valores para el fraguado final

Fig. 2-40. Tiempo de fraguado para cementos portland (Gebhardt 1995 y PCA 1996).

62


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos El fraguado rápido se evidencia por una pérdida rápida de trabajabilidad en la pasta, mortero o concreto a una edad aún temprana. Esto es normalmente acompañado de una evolución considerable de calor, resultante principalmente de la rápida reacción de los aluminatos. Si la cantidad o forma adecuadas de sulfato de calcio no están disponibles para controlar la hidratación del aluminato de calcio, el endurecimiento es aparente. El fraguado rápido no se lo puede disipar, ni tampoco se puede recuperar la plasticidad por el mezclado complementario sin la adición de agua. El endurecimiento correcto resulta de un equilibrio cuidadoso de los compuestos de sulfato y aluminato, bien como de temperatura y finura adecuadas de los materiales (las cuales controlan la hidratación y la tasa de disolución). La cantidad de sulfato transformado en yeso tiene un efecto significante. Por ejemplo, con un cemento específico, 2% de yeso permitieron un tiempo de fraguado de 5 horas, mientras que 1% de yeso promovió el fraguado rápido y 3% permitieron el falso fraguado (Helmuth y otros 1995). Los cementos se ensayan para agarrotamiento prematuro usando las pruebas del método de la pasta: ASTM C 451 (AASHTO T 186), COVENIN 0365, IRAM 1615, NMX-C-132-1997-ONNCCE, NGO 41014 h4, NTC 297, NTE 0875, NTP 334.052; o las pruebas del método del mortero: ASTM C 359 (AASHTO T 185), NTC 225, NTE 0201, NTP 334.053. Sin embargo, estos ensayos no consideran todos los factores relacionados con el mezclado, colocación, temperatura y condiciones de obra que puedan causar endurecimiento temprano. Ellos tampoco consideran el agarrotamiento prematuro causado por las interacciones con los otros ingredientes del concreto. Por ejemplo, concretos mezclados por periodos muy cortos,

menos de un minuto, tienden a ser más susceptibles al endurecimiento rápido (ACI 225).

Resistencia a Compresión La resistencia a compresión es aquélla obtenida por la prueba, por ejemplo, de cubos o cilindros de mortero de acuerdo con las normas nacionales de la Tabla 2.18. La Figura 2-41 enseña el ensayo según la norma ASTM C 109. Se debe preparar y curar los especimenes de acuerdo con la prescripción de la norma y con el uso de arena estándar. El tipo de cemento, o más precisamente, la composición de los compuestos y la finura del cemento influyen

Fig. 2-41. Se hacen cubos de 50 mm (2 pulg.) (izquierda) y se los prensan para la determinación de las características de resistencia del cemento. (69128, 69124)

Tabla 2.18. Normas para la Determinación de la Resistencia del Cemento País

Norma

Nombre

Argentina

IRAM 1622

Cemento portland. Determinación de resistencias mecánicas.

Chile

NCh158

Cementos - Ensayo de flexión y compresión de morteros de cemento

Colombia

NTC 220

Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Determinación de la resistencia de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50 mm o 50,8 mm de lado

Ecuador

NTE 0488

Cementos. Determinación de la resistencia a la compresión de morteros en cubos de 50 mm de arista

EE.UU.

ASTM C 109

Norma de método de ensayo para resistencia a compresión de morteros de cemento hidráulico (usando especimenes cúbicos de 50 mm)

AASHTO T 106

Resistencia a compresión de morteros de cemento hidráulico (usando especimenes cúbicos de 50 mm o 2 pulg.)

México

NMX–C–061–ONNCCE

Determinación de la resistencia a la compresión de cementantes hidráulicos

Perú

NTP 334.051

CEMENTOS. Método para determinar la resistencia a la compresión de morteros de Cemento Portland cubos de 50 mm de lado

Uruguay

UNIT 525

Cementos. Método de ensayo. Determinación de resistencias mecánicas

UNIT 21

Ensayos físicos y mecánicos del cemento portland

COVENIN 0484

Cemento Portland. Determinación de la resistencia a la compresión de morteros en probetas cúbicas de 50,8 mm de lado

Venezuela

63


EB201

fuertemente la resistencia a compresión. Algunas normas como, por ejemplo, la ASTM C 1157, la IRAM 50000, la MNX-C-414-ONNCCE y la NTP 334.082, traen los requisitos de ambas resistencias, la mínima y la máxima, mientras

que la ASTM C 150 y la ASTM C 595 (AASHTO M 85 y M 240), bien como la mayoría de las normas de los países Latinoamericanos, presentan solamente los requisitos de resistencia mínima. Los requisitos de resistencia mínima de las especificaciones de cemento se cumplen por la mayoría de los fabricantes de cemento. Pero, no se debe asumir que dos tipos de cemento que tengan los mismos requisitos de resistencia van a producir morteros o concretos con la misma resistencia, sin que se hagan modificaciones de las proporciones de la mezcla. En general, la resistencia del cemento (basada en ensayos en cubos de mortero) no se la puede usar para el pronóstico de la resistencia del concreto con un alto grado de precisión, debido a las muchas variables en las características de los agregados, mezclado del concreto, procedimientos de construcción y condiciones del medioambiente en la obra (Weaver, Isabelle y Williamson 1970 y Dehayes 1990). Las Figuras 2-42 y 2-43 ilustran el desarrollo de la resistencia en morteros estándares, preparados con varios tipos de cemento portland. Word (1992) presenta las resistencias a largo plazo de morteros y concretos preparados con cemento portland y cemento adicionado. La uniformidad de la resistencia del cemento de una única fuente se puede determinar de acuerdo con los procedimientos, por ejemplo, de la ASTM C 917.

Porcentaje de la resistencia a los 28 días

80 70 Cemento

60

Tipo I

50

Tipo II 40

Tipo III

30

Tipo IV Tipo V

20 mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

10 0

0

5

10

15 20 Tiempo, días

25

30

Fig. 2-42. Desarrollo relativo de la resistencia de cubos de morteros de cemento como un porcentaje de la resistencia a los 28 días. Los promedios fueron adaptados de Gebhardt 1995.

600 7000

400

6000 5000

300

4000 3000

200 Cemento ASTM Tipo I mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

100 0 0

2000

5

10 15 20 Tiempo, días

25

Resistencia, kg/cm2

600

1000 0 30

7000

400

6000 5000

300

4000 3000

200 Cemento ASTM Tipo I mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

100 0 0

5

10 15 20 Tiempo, días

600 7000

400

6000 5000

300

4000 3000

200

0 0

Cemento ASTM Tipo I mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

5

10 15 20 Tiempo, días

25

8000

500

25

2000

2000 1000

7000

400

6000 5000

300

4000 3000

200 Cemento ASTM Tipo I mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

100 0 0

MPa = 10.2 kg/cm2

5

10 15 20 Tiempo, días

7000

400

6000 5000

300

4000 3000

200 Cemento ASTM Tipo I mortero ASTM C 109 a/c = 0.485

5

10 15 20 Tiempo, días

25

2000 1000 0 30

8000

500

0 0

0 30

8000

500

0 30

100

1000

MPa = 10.2 kg/cm2

8000

500

MPa = 10.2 kg/cm2

100

600

MPa = 10.2 kg/cm2

Resistencia, kg/cm2

500

Resistencia, kg/cm2

8000

Resistencia, lb/pulg2

MPa = 10.2 kg/cm2

Resistencia, lb/pulg2

Resistencia, kg/cm2

600

Resistencia, lb/pulg2

Cemento de los años 90 90

25

2000

Resistencia, lb/pulg2

100

Resistencia, kg/cm2

Resistencia, lb/pulg2

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

1000 0 30

Fig. 2-43. Desarrollo de resistencia de cubos de mortero de cemento portland de varias estadísticas combinadas. La línea rayada representa los valores promedios y el área rayada, la gama de valores (adaptado de Gebhardt 1995).

64


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos Para la mayoría de los elementos de concreto, tales como losas, el calor generado no trae preocupación porque el calor se disipa rápidamente en el ambiente. Sin embargo, en estructuras de grandes volúmenes, con espesor mayor que un metro (yarda), la tasa y la cantidad de calor generado son importantes. Si este calor no se disipa rápidamente, puede ocurrir un aumento considerable de la temperatura del concreto. Este aumento de temperatura puede ser indeseable, pues después del endurecimiento a altas temperaturas, el enfriamiento no uniforme de la masa de concreto hasta la temperatura ambiente puede crear tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) indeseables. Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado. La Tabla 2.19 presenta valores de calor de hidratación para varios tipos de cemento portland. Estos datos limitados muestran que el cemento tipo III (ASTM C 150) tiene calor de hidratación más alto que los otros tipos de cemento, mientras que el tipo IV (ASTM C 150) tiene el

Calor de Hidratación El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de la composición química del cemento, siendo el C3A y el C3S los compuestos más importantes para la evolución de calor. Relación aguacemento, finura del cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumentan el calor de hidratación. A pesar del cemento portland poder liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas (Copeland y otros 1960). El calor de hidratación se ensaya según las normas ASTM C 186, COVENIN 0495, IRAM 1617, IRAM 1852, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 117, NTE 0199, NTP 334.064, UNIT 326 o por calorímetro de conducción (Fig. 2-44).

Fig. 2-44. El calor de hidratación se puede determinar por (izquierda) ASTM C 186 y por (derecha) calorímetro de conducción. (68823, 68824)

Tabla 2-19. Calor de Hidratación de Cementos Portland de los EE.UU. Seleccionados de la Década de 90, según la Norma ASTM C 186, en kJ/kg* Cemento tipo I No. de muestras

Cemento tipo II

Cemento tipo II – Moderado calor de hidratación

Cemento tipo III

Cemento tipo IV

Cemento tipo V

7 días

28 días

7 días

28 días

7 días

7 días

28 días

7 días

28 días

7 días

15

7

16

7

4

2

2

3

1

6

Promedio

349

400

344

398

263

370

406

233

274

310

Máximo

372

444

371

424

283

372

414

251

-

341

Mínimo

320

377

308

372

227

368

397

208

-

257

% del tipo I (7 días)

100

75

106

99

* Esta tabla se basa en datos muy limitados. 1 cal/g = 4.184kJ/kg. PCA (1997).

65

67

89


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 (ASTM C 150, AASHTO M 85), con la opción de los requisitos de moderado calor de hidratación. Como ni todos los cementos tipo II se fabrican para el desarrollo de un nivel moderado de calor, la opción de moderado calor de hidratación se debe solicitar especialmente. El cemento de bajo calor de hidratación se puede utilizar para el control de la subida de la temperatura, pero raramente está disponible. Los cementos de moderado calor y bajo calor también están disponibles en las especificaciones de la ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157. El empleo de los materiales cementantes suplementarios es también una opción para reducir la subida de temperatura. La ASTM C 150 (AASHTO M 85), la COVENIN 28, la NCR40, NTP 334.009, NTP 334.090 tienen tanto un enfoque químico como físico para el control del calor de hidratación. Se puede especificar cualquiera de los enfoques, pero no ambos. La ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157, IRAM 50001, NMX–C–414–ONNCCE y NTP 334.082 usan límites físicos. Para más informaciones, consulte PCA (1997).

calor más bajo. También se debe observar la diferencia en la generación de calor entre el tipo II (ASTM C 150) normal y el moderado calor de hidratación tipo II (ASTM C 150). Los cementos no generan calor a una tasa constante. La producción de calor durante la hidratación de un cemento portland tipo I (ASTM C 150) se presenta en la Figura 2-45. El primer pico presentado en el perfil de calor se debe a la liberación de calor por las reacciones iniciales de los compuestos del cemento, tales como aluminato tricálcico. Algunas veces llamado de calor de mojado, este primer pico de calor se sigue por un periodo de baja reactividad conocido como periodo de incubación o inducción. Después de algunas horas, aparece un segundo pico atribuido a la hidratación del silicato tricálcico, señalizando el comienzo del proceso de endurecimiento de la pasta. Finalmente, hay un tercer pico debido a la reacción renovada del aluminato tricálcico; su intensidad y localización dependen normalmente de la cantidad de aluminato tricálcico y de sulfato en el cemento. En el ensayo de calorimetría, las primeras medidas de calor se obtienen aproximadamente 7 minutos después de la mezcla de la pasta; como resultado, sólo se puede observar la inclinación descendente del primer pico (Etapa 1, Fig. 2-45). El segundo pico (pico de C3S) normalmente ocurre entre 6 y 12 horas. El tercer pico (pico de C3A renovado en la conversión de AFt para AFM) ocurre entre 12 y 90 horas. Esta información puede ser útil en el control del aumento de temperatura en el concreto masivo (Tang 1992). Cuando es necesario minimizar la generación de calor en el concreto, los diseñadores deben escoger un cemento con más bajo calor, tales como el cemento portland tipo II

Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego) La pérdida por calcinación (pérdida por ignición) del cemento portland se determina por el calentamiento de una muestra de cemento con masa conocida a una temperatura de 900°C a 1000°C, hasta que se obtenga la constancia de masa. Se determina entonces la pérdida de masa de la muestra. Normalmente, una gran pérdida por ignición es una indicación de prehidratación y carbonatación, las cuales pueden ser resultantes del almacenamiento prolongado o de manera incorrecta, o de la adulteración durante el transporte. El ensayo de pérdida por calcinación se realiza de acuerdo con las normas de ASTM C 114 (AASHTO T 105), COVENIN 0109, IRAM 1504, NCh147, NGO 41003 h18, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 184, NTE 0160, NTP 334.086 y UNIT-NM 18 (Figura 2-46).

Etapa 1

Evolución del calor

Etapa 2

Etapas 3 y 4 Hidratación C 3 S

Etapa 5

Hidratación C 3 A

Tiempo

Fig. 2-45. Evolución del calor como función del tiempo para pasta de cemento. La etapa 1 es el calor de humedecimiento o de la hidrólisis inicial (hidratación del C3A y del C3S). La etapa 2 es el período de incubación relacionado al tiempo de fraguado inicial. La etapa 3 es una reacción acelerada de los productos de hidratación que determina la tasa de endurecimiento y el tiempo de fraguado final. En la etapa 4 hay una desaceleración de la formación de los productos de hidratación y determina la tasa de aumento de resistencia inicial. La etapa 5 es lenta, caracterizada por la formación estable de productos de hidratación, estabilizando la tasa de aumento de resistencia a edades avanzadas.

Fig. 2-46. Ensayo de pérdida por ignición del cemento. (43814) 66


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos del cemento, su principal uso es en los cálculos de las proporciones de la mezcla. Para el proporcionamiento de la mezcla, puede ser más útil expresar la densidad como densidad relativa, también llamada de gravedad específica o densidad absoluta. La densidad relativa es un número adimensional determinado por la división de la densidad del cemento por la densidad del agua a 4°C, la cual es 1.0 Mg/m 3 (1.0 g/cm 3, 1000 kg/m3 o 62.4 lb/pies3). Se supone la densidad relativa del cemento portland como siendo 3.15 para su uso en los cálculos volumétricos del proporcionamiento de la mezcla de concreto. Como las proporciones de la mezcla traen las cantidades de los ingredientes del concreto en kilogramos o libras, se debe multiplicar la densidad relativa por la densidad del agua a 4°C, establecida como 1000 kg/m 3 (62.4 lb/pies3), para la determinación de la densidad o el peso específico de las partículas de cemento en kg/m 3 o lb/pies3.

Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) El peso específico del cemento (densidad, peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria) se define como el peso de cemento por unidad de volumen de los sólidos o partículas, excluyéndose el aire entre las partículas. La masa específica se presenta en megagramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico (el valor numérico es el mismo en las dos unidades). El peso específico del cemento varía de 3.10 hasta 3.25, con promedio de 3.15 Mg/m 3. El cemento portland de alto horno y el portland puzolánico tienen pesos específicos que varían de 2.90 hasta 3.15, con promedio de 3.05 Mg/m 3. El peso específico del cemento (Tabla 2-20) no es una indicación de la calidad

Densidad Aparente La densidad aparente del cemento se define como el peso de las partículas de cemento más el aire entre las partículas por unidad de volumen. La densidad aparente del cemento puede variar considerablemente, dependiendo de como se manosea y almacena el cemento. Si el cemento portland está muy suelto, puede pesar sólo 830 kg/m 3 (52 4 lb/pies3), mientras que cuando se consolida el cemento a través de vibración, el mismo cemento puede pesar tanto como 1650 kg/m 3 (103 4 lb/pies3) (Toler 1963). Por esta razón, las buenas prácticas indican que se debe medir el cemento en masa y no en volumen (Fig. 2-48).

Fig. 2-47. La densidad del cemento (peso específico) se puede determinar por (izquierda) el uso del frasco volumétrico de Le Chatelier y queroseno (kerosene) o por (derecha) el uso de un picnómetro de helio. (68825, 68826)

Tabla 2-20. Normas para la Determinación del Peso Específico y de la Densidad País

Norma

Nombre

Argentina

IRAM 1624

Cemento portland. Método de determinación de la densidad absoluta

Chile

NCh154

Cemento - Determinación del peso específico relativo

Colombia

NTC 221

Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método de ensayo para determinar la densidad del cemento hidráulico

Ecuador

NTE 0156

Cementos. Determinación de la densidad

EE.UU.

ASTM C 188

Método de ensayo para la determinación de la densidad Del cemento hidráulico

AASHTO T 133

Densidad del cemento hidráulico

México

NMX-C-152

Cementantes hidráulicos - método de prueba para la determinación del peso especifico de cementantes hidráulicos

Perú

NTP 334.005

Cementos. Método de ensayo para determinar la densidad del cemento portland

Uruguay

UNIT-NM 23

Cemento portland. Método de determinación de la densidad absoluta

Venezuela

COVENIN 0492

Cemento Portland. Determinación de la densidad real

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 tales como cambios de la masa, temperatura, energía o estado de la muestra. Un sólido puede derretirse, vaporizarse, decomponerse en un gas con sólidos residuales o reaccionar con un gas (a temperaturas elevadas) para formar un sólido diferente o un sólido diferente y otro gas. Los usos más comunes del análisis térmico incluyen: • Identificación de cuales productos de hidratación se formaron y en que cantidades • Resolución de problemas de agarrotamiento prematuro • Identificación de la presencia de impurezas en las materias primas • Determinación del grado de envejecimiento del clínker o del cemento • Estimación de la reactividad de las puzolanas y escorias para su empleo en cementos adicionados • Identificación de la cantidad de materia orgánica y sus variaciones en las canteras • Cuantificación del grado de carbonatación de una muestra expuesta • Análisis de problemas de durabilidad en el concreto.

Fig. 2-48. Los dos recipientes contienen 500 gramos de polvo de cemento seco. A la izquierda, el cemento ha sido solamente colocado en el recipiente. A la derecha, el cemento ha sido ligeramente vibrado – imitando la consolidación durante el transporte o la compactación mientras que se lo almacena en los silos. La diferencia del 20% del volumen aparente enseña la necesidad de medirse el cemento por su peso y no por su volumen, cuando de la mezcla del concreto. (68970)

ANÁLISIS TÉRMICO

Abajo, se discuten algunas técnicas específicas de análisis térmico.

Las técnicas de análisis térmico han están disponibles hace muchos años para el análisis de las reacciones hidráulicas y de las interacciones del cemento tanto con adiciones minerales como con aditivos químicos (Figs. 2-45 y 2-49). Tradicionalmente, el análisis térmico no hacía parte de los programas de ensayos de rutina. Sin embargo, recientemente, el análisis térmico ha ganado popularidad en el análisis de las propiedades físicas y químicas de los materiales cementantes y de las materias primas para la fabricación del cemento (Bhatty 1993, Shkolnik y Miller 1996, Tennis 1997). En el análisis térmico, se calienta una pequeña muestra a una tasa controlada hasta altas temperaturas (hasta 1000°C o más). A medida que los compuestos reaccionan o se decomponen, se registran los cambios que ocurren en función del tiempo y de la temperatura. Con el aumento de la temperatura de la muestra, hay una serie de cambios,

Análisis por Termogravimetría (TGA) El análisis por termogravimetría (TGA) es una técnica que mide la masa de una muestra a medida que se calienta (o se enfría) a una tasa controlada. El cambio de masa de la muestra depende de la composición de la muestra, de la temperatura, de la tasa de calentamiento y el tipo del gas en el horno (aire, oxígeno, nitrógeno, argón u otro gas). Un cambio de masa en una temperatura específica identifica la presencia de un compuesto químico particular. La magnitud del cambio de masa indica la cantidad del compuesto en la muestra. El agua libre de la muestra se evapora, disminuyendo la masa, cuando la temperatura se eleva de la temperatura ambiente hasta 100°C. La muestra también pierde cierta cantidad de agua adsorbida en los productos de hidratación, principalmente el agua en los aluminatos de calcio. Entre 100°C y 400°C, el agua combinada en los productos hidratados, principalmente en el gel de C-S-H, se pierde, juntamente con el resto del agua en los aluminatos de calcio. Entre 400°C y 500°C, el hidróxido de calcio fornece una pérdida de masa muy distinta, pues se decompone en óxido de calcio (sólido) y vapor de agua. La cantidad de la pérdida de masa se puede usar para la determinación de la cantidad de hidróxido de calcio presente originalmente en la muestra. Arriba de los 500°C, se puede perder más una pequeña cantidad de agua de los productos de hidratación. Las fases carbonatadas pierden dióxido de carbono a aproximadamente 800°C. Con la determinación de la cantidad de hidróxido de calcio, un TGA fornece una indicación del grado de hidratación de una muestra. Se puede obtener la reactividad de

Fig. 2-49. Equipamiento de análisis térmico. (69116)

68


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos las puzolanas por la evaluación del desaparecimiento del hidróxido de calcio debido a la reacción puzolánica.

de barrido o termogramas. La curva superior (a) presenta una pasta de cemento portland después de 15 minutos de hidratación. Los picos en la curva entre 100°C y 200°C son resultado de la descomposición endotérmica (absorbición de calor) del yeso y de la etringita, mientras que el pico a 270°C se debe al sulfato de calcio y potasio hidratado. Cerca de los 450°C, se puede observar un pico menor, debido al hidróxido de calcio. La curva inferior (B) en la Figura 2-50 enseña la misma pasta de cemento después de 24 horas de hidratación. Observe la desaparición del pico debido a la etringita, la reducción del tamaño del pico debido a singenita y el crecimiento de los picos debidos a la etringita y al hidróxido de calcio. El tamaño de las áreas bajo las curvas está relacionado a la cantidad de material en la muestra.

Análisis Térmico Diferencial (DTA) El análisis térmico diferencial (DTA) es un método analítico a través del cual se mide la diferencia de temperatura entre una muestra y el control mientras que la muestra se calienta. El control normalmente es un material inerte, tal como alúmina en polvo, que no reacciona en la temperatura empleada en el ensayo. Si la muestra reacciona a una cierta temperatura, entonces su temperatura aumenta o disminuye en relación al material inerte de control, pues la reacción emite energía (exotérmica) o absorbe energía (endotérmica). Un termopar mide la temperatura de cada material, permitiendo que se registre la diferencia de temperaturas. El DTA es ideal para el control de la transformación de los compuestos del cemento durante la hidratación. Se puede realizar el DTA juntamente con el TGA.

ENSAYOS VIRTUALES DE CEMENTO La tecnología computacional permite, hoy en día, la simulación de los compuestos del cemento (Fig. 2-51), su hidratación, el desarrollo de su microestructura y de sus propiedades físicas. Se pueden observar las combinaciones de materiales, compuestos del cemento o distribución del tamaño de las partículas para la predicción del desempeño del cemento. Algunas de las propiedades que se pueden pronosticar son calor de hidratación, calor adiabático, resistencia a compresión, tiempo de fraguado, reología (tensión de escurrimiento y viscosidad), percolación, porosidad, difusividad, conductividad térmica, conductividad eléctrica, carbonatación, propiedades elásticas, perfil de secado, susceptibilidad a los mecanismos de degradación, retracción autógena y volúmenes de los reactivos y de los productos de hidratación en función del tiempo. Se pueden observar los efectos de varios

Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) En la calorimetría diferencial de barrido (DSC), se mide directamente el calor absorbido o liberado en función de la temperatura y del tiempo y se compara con una referencia. Una ventaja de los métodos DTA y DSC es que no se requiere ningún cambio de masa, entonces si una muestra se funde sin vaporizarse, aún se pueden tomar las medidas. De la misma manera que en DTA, se puede emplear el DSC para la determinación de que compuestos están presentes en las diferentes etapas de la hidratación. La Figura 2-50 muestra dos curvas diferentes de calorimetría

a C S G

b

S C

20 mw

Exotérmica

E

E 100

200 300 400 Temperatura, °C

500

Fig. 2-51. Imagen en dos dimensiones del cemento portland. Los colores son: rojo – silicato tricálcico, azul claro - silicato dicálcico, verde – aluminato tricálcico, amarillo – ferroaluminato tetracálcico, verde claro – yeso, blanco – cal libre, azul oscuro – sulfato de potasio y magenta – periclase. La imagen ha sido obtenida por una combinación de SEM e imágenes de Rayo X (NIST 2001).

Fig. 2-50. Termograma de calorimetría diferencial de barrido de una pasta de cemento después de (a) 15 minutos y (b) 24 horas de hidratación. C = hidróxido de calcio; E = etringita; G = yeso y S = singenita. 69


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Fig. 2-52. Los cementos portland se despachan a granel de los silos en las plantas para el consumidor por (de la izquierda para la derecha) carril, camión y agua. (59899, 59355, 59891)

contenidos de sulfato y álcalis, juntamente con la interacción de los materiales cementantes suplementarios y de los aditivos químicos. El modelo computacional predice el desempeño sin los gastos y el tiempo necesarios para los ensayos físicos (NIST 2001).

Chile, Costa Rica, Paraguay y Colombia, entre otros, la mayor parte del cemento se comercializa en sacos (bolsas). La manera más comúnmente usada para el manejo del cemento a granel es la carga y descarga neumática. Pero, la reciente introducción de bolsones con capacidad de volumen de una hasta doce toneladas ofrece una nueva alternativa para el manejo del cemento. El cemento a granel se mide por toneladas métricas (1000 kg) o toneladas cortas (2000 libras). El cemento envasado en bolsas es conveniente para su uso en las obras de construcción (Fig. 2-53) y pequeñas obras. La masa de cemento en cada saco varía en cada país, diferentes productores y tipos de cemento. La Tabla 2.22 muestra la cantidad de cemento en las bolsas en diversos países. Informaciones específicas sobre la masa de cada tipo de cemento y productor se encuentran en la bolsa. Debido a gran variedad de tamaño de bolsas y de la presencia de materiales cementantes suplementarios, la terminología del factor de la bolsa de cemento, tal como “una mezcla de bolsa seis” no se debe usar para la descripción del contenido del cemento en una mezcla de concreto. Al final del siglo XIX y comienzo del XX, el cemento se transportaba en barriles, siendo que un barril contenía

TRANSPORTE Y ENVASE La Tabla 2.21 presenta la producción de cemento en diversos países. En los EE.UU., la mayor parte del cemento comercializado es a granel por tren, camiones, barcazas o barcos, mientras que en otros países tales como Bolivia,

Tabla 2-21. Producción de Cemento en 2000 País

Producción (Millones de toneladas métricas)

Argentina

6.12

Bolivia

1.30

Canadá

12.01

Chile

3.38

Colombia

7.07

Costa Rica

1.15

Ecuador

2.80

El Salvador

1.12

Estados Unidos Guatemala Honduras México

82.85 2.00 1.28 31.70

Nicaragua

0.65

Panamá

1.00

Paraguay

0.65

Perú

3.62

Puerto Rico

1.60

Uruguay

0.70

Venezuela

8.20

Suriname

0.07

Fig. 2-53. El cemento puede despacharse en bolsas, principalmente para aplicaciones en morteros y pequeñas obras. (59411) 70


Capítulo 2 ◆ Cementos portland, cementos adicionados y otros cementos hidráulicos normalmente rodando los sacos sobre el suelo. En el momento del uso, el cemento debe fluir libremente y no debe poseer terrones. Si los terrones no se rompen fácilmente, se debe ensayar el cemento antes de que se lo emplee en trabajos importantes. Se deben hacer ensayos de resistencia y pérdida por ignición, siempre que haya cualquier duda en cuanto a la calidad del cemento. Normalmente, los cementos no permanecen almacenados por mucho tiempo, pero se pueden almacenar por largos periodos sin presentar deterioración. El cemento a granel se debe almacenar en silos o depósitos de concreto impermeable o acero. Se debe usar aeración seca a baja presión o vibración en los silos para mantener la fluidez del cemento y evitarse la formación de grumos. Como el cemento se queda suelto, no se debe almacenar un volumen de cemento mayor que 80% de la capacidad del silo.

Tabla 2-22. Masa de las Bolsas de Cemento en Diversos Países Masa en cada bolsa de cemento (kg)

País Argentina

1, 4, 5, 8, 25 y 50

Bolivia

50

Canadá

25 y 50

Chile

5, 20, 42.5 y bolsones de 1.5 ton

Colombia

25, 42.5 y 50

Costa Rica

50 y bolsones de 1 a 1.5 ton

Ecuador

50

El Salvador

42.5

Estados Unidos

42

México

5, 10, 25, 42 y 50

Perú

42.5

Uruguay

50

Venezuela

42.5

4 sacos (171 kgs o 376 lb o 4 pies cúbicos) de cemento. La utilización de la unidad de barril es arcaica y no se la debe usar.

ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO El cemento es un material sensible a la humedad; si mantenido seco, va a retener su calidad indefinidamente. El cemento almacenado en contacto con el aire húmedo o humedad fragua más lentamente y tiene menos resistencia que un cemento mantenido seco. En la planta de cemento y en las instalaciones de las plantas de concreto premezclado, el cemento a granel se almacena en silos. La humedad relativa en los almacenes o cobertizos usados para guardar los sacos de cemento debería ser la más baja posible. Todas las fisuras y aberturas de los muros y techos deberían ser cerradas. No se debería almacenar los sacos de cemento en pisos húmedos pero sí deben descansar sobre tarimas (palets, estrados). Los sacos se deben apilar juntos para reducir la circulación del aire, pero no se deben nunca apilar cerca de los muros externos. Los sacos que se almacenen por un largo periodo se deben cubrir con lonas (mantas) u otra cobertura impermeable. En pequeñas obras donde el cobertizo no esté disponible, los sacos se deben colocar sobre plataformas de madera elevadas (palet) sobre el suelo. Las coberturas impermeables deben cubrir toda la pila y extenderse para allá de los bordes de la plataforma para prevenir que la lluvia llegue hasta al cemento y a la plataforma (Fig. 2-54). Las plataformas mojadas pueden dañar lo sacos inferiores. El cemento almacenado por periodos prolongados puede sufrir lo que se llama de “compactación por almacenamiento” o “compactación de bodega”. Esto se corrige

Fig. 2-54. Cuando almacenado en la obra, el cemento se debe proteger de la humedad.

CEMENTO CALIENTE Cuando se pulveriza el clínker de cemento en el molino, la fricción genera calor. Entonces, el cemento recién molido está aún caliente cuando se lo coloca en los silos de almacenamiento en las plantas de cemento. Este calor se disipa lentamente, por lo tanto en el verano, cuando la demanda de cemento es mayor, el cemento puede estar todavía caliente cuando enviado a una planta de concreto premezclado o a la obra. Ensayos han mostrado que el efecto del cemento caliente en la trabajabilidad y en el desarrollo de la resistencia del concreto no es relevante (Lerch 1955). Las temperaturas del agua de mezclado y de los agregados son mucho más importantes para la temperatura final del concreto.

71


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

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Capítulo 3

Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales de vista de la conservación del medio ambiente y de la energía, sino también por los beneficios que estos materiales pueden ofrecer al concreto. Los materiales cementantes suplementarios se adicionan al concreto como parte del sistema cementante. Se los puede utilizar como adición o como sustitución parcial del cemento portland o del cemento adicionado, dependiendo de las propiedades de los materiales y de los efectos esperados en el concreto. Los materiales cementantes suplementarios se usan para mejorar una propiedad particular del concreto, tal como resistencia a la reactividad álcali-agregado. La cantidad óptima de adición se debe establecer a través de pruebas para determinar (1) si el material realmente mejora la propiedad y (2) la correcta cantidad, pues una sobredosis o

Fig. 3-1. Materiales cementantes suplementarios. De la izquierda para la derecha, ceniza volante (Clase C), metacaolinita (arcilla calcinada), humo de sílice, ceniza volante (Clase F), escoria y esquisto. (69794)

Tabla 3-1. Especificaciones y Clases de los Materiales Cementantes Suplementarios en los Estados Unidos

La ceniza volante, la escoria granulada de alto horno, el humo de sílice (sílice activa, microsílice) y las puzolanas naturales, tales como esquisto calcinado, arcilla calcinada o metacaolinita, son materiales que, cuando usados conjuntamente con el cemento portland o el cemento adicionado, contribuyen para la mejoría de las propiedades del concreto endurecido, debido a sus propiedades hidráulicas o puzolánicas o ambas (Fig. 3-1). La puzolana es un material silícico o silícico aluminoso que, cuando está en la forma de polvo fino y en presencia de humedad, reacciona químicamente con el hidróxido de calcio liberado por la hidratación del cemento portland para formar silicato de calcio hidratado y otros compuestos cementantes. Las puzolanas y las escorias se clasifican como material cementante suplementario o aditivo mineral. Las Tablas 3-1 y 3-2 listan las especificaciones a que estos materiales atienden. El uso de estos materiales en los cementos adicionados se discute en el Capítulo 2 y por Detwiler, Bhatty y Bhattacharja (1996). El uso de materiales cementantes suplementarios en concreto viene creciendo desde la década de 70. La mayoría de estos materiales son subproductos de procesos industriales. Su empleo sensato es deseable no sólo bajo el punto

Escorias granuladas de alto horno de hierro —ASTM C 989 (AASHTO M 302) Grado 80 Escorias con bajo índice de actividad Grado 100 Escorias con índice moderado de actividad Grado 120 Escorias con alto índice de actividad Ceniza volante y puzolana natural—ASTM C 618 (AASHTO M 295) Clase N Puzolanas naturales crudas o calcinadas, incluyendo: Tierras diatomaceas Sílex opalino y esquistos Tufo y cenizas volcánicas o pumitas (piedras pómez) Arcillas calcinadas, incluyendo metakaolinita y esquisto Clase F Ceniza volante con propiedades puzolánicas Clase C Ceniza volante con propiedades puzolánicas y cementantes Humo de sílice —ASTM C 1240

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 3-2. Normas de Especificación de las Puzolanas, Escorias, Ceniza Volante y Humo de Sílice País

Norma

Argentina

IRAM 1668, IRAM 1506, IRAM 1557, IRAM 1667

Chile

NCh161.EOf1969

Colombia

NTC 3493, NTC 4637

Ecuador

NTE 0491, NTE 0494

México

NMX-C-146

Perú

NTP 334.104, NTP 334.087

Uruguay

UNIT 1047

el material fundido se enfría y se solidifica como pequeñas esferas vítreas llamadas cenizas volantes (Fig. 3-2). Luego, se colecta la ceniza volante de los gases de escape a través de precipitadores electrostáticos o de filtros de bolsa. La ceniza volante es un polvo finamente dividido parecido al cemento portland (Fig. 3-3). La mayoría de las partículas de ceniza volante son esferas y algunas son cenosferas huecas. También se pueden presentar en la forma de plerosferas, que son esferas que contienen esferas menores. Los materiales molidos, como el cemento portland, tienen partículas sólidas angulares. Los tamaños de las partículas de la ceniza volante varían de menos de 1 µm (micrómetro) hasta más de 100 µm, siendo que el tamaño de una partícula típica es de 20 µm. Sólo del 10% al 30% de la masa de las partículas son mayores que 45 µm. El área superficial es normalmente de 300 a 500 m2/kg, a pesar de que algunas cenizas pueden tener área superficial tan baja cuanto 200 m2/kg o tan alta cuanto 700 m2/kg. Las cenizas volantes que no estén fuertemente compactadas presentan una densidad aparente (masa por unidad de volumen, incluyendo el aire

Tabla 3-3. Normas de Ensayo de las Cenizas Volantes y las Puzolanas País

Norma

Argentina

IRAM 1654, IRAM 1668

Colombia

NTC 1784, NTC 3823

Ecuador

NTE 0495, NTE 0496, NTE 0497, NTE 0498

Estados Unidos

ASTM C 311

México

NMX-C-179

Perú

NTP 334.055, NTP 334.066, NTP 334.117

Uruguay

UNIT 1035, UNIT 1038, UNIT 1039

Venezuela

COVENIN 3135

una dosis insuficiente pueden ser perjudiciales o los efectos deseados no se logran. Los materiales cementantes suplementarios también reaccionan de manera diversa con los diferentes tipos de cemento. Tradicionalmente, la ceniza volante, escoria, arcilla calcinada, esquisto calcinado y humo de sílice se usaban separadamente en el concreto. Actualmente, debido a la mejoría del acceso a estos materiales, los productores de concreto pueden combinar dos o más de estos materiales, visándose optimizar las propiedades del concreto. Las mezclas que usan tres materiales cementantes, llamadas mezclas ternarias, se están tornando comunes. En los Estados Unidos, los materiales cementantes suplementarios se usan, por lo menos, en 60% del concreto premezclado (PCA 2000). La Tabla 3-3 presenta las normas de ensayo de las cenizas volantes y las puzolanas en varios países.

Fig. 3-2. Micrografía por microscopio electrónico de barrido (SEM) de partículas de ceniza volante con aumento de 1000X. A pesar de que la mayoría de las cenizas volantes son esferas sólidas, algunas partículas, llamadas cenosferas, son huecas (como se enseña en la micrografía). (54048)

CENIZAS VOLANTES La ceniza volante es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en plantas generadoras de electricidad y es el material cementante suplementario más utilizado en los Estados Unidos. Bajo la ignición en el horno, la mayor parte de la materia volátil y el carbono del carbón se queman. Durante la combustión, las impurezas minerales del carbón (tales como arcilla, feldespato, cuarzo y esquisto) se funden en suspensión y se transportan hacia afuera de la cámara por los gases de escape. En el proceso,

Fig. 3-3. La ceniza volante es un polvo que se parece con el cemento y ha sido usada desde los años de 1930. (69799) 78


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales

Fig. 3-4. La ceniza volante, escoria, arcilla calcinada o esquisto calcinado se emplean en la construcción en general, tal como (de la izquierda hacia la derecha) muros en edificios residenciales, pavimentos, rascacielos y presas. (67279, 48177, 69554, 69555)

entre las partículas) que puede variar de 540 a 860 kg/m3 (34 a 54 lb/pies3), mientras que las cenizas compactadas o vibradas presentan densidad aparente que varía de 1120 a 1500 kg/m3 (70 a 94 lb/pies3). La ceniza volante es básicamente un vidrio de silicato conteniendo sílice, alúmina, hierro y calcio. Los constituyentes menores son magnesio, azufre, sodio, potasio y carbono. Los compuestos cristalinos están presentes en pequeñas cantidades. La densidad relativa (densidad absoluta, gravedad específica) de la ceniza volante normalmente varía de 1.9 a 2.8 y el color es generalmente gris o marrón. Las cenizas volantes Clase F y Clase C de la ASTM C 618 (AASHTO M 295) se emplean comúnmente como aditivos puzolánicos en concretos de uso universal (Fig. 3-4). Los materiales de Clase F son normalmente cenizas volantes con bajo contenido de calcio (menos del 10% de CaO) y contenido de carbono menor que 5%, pero algunas pueden contener hasta 10%. Los materiales de la Clase C normalmente presentan alto contenido de calcio (del 10% al 30% de CaO) y contenido de carbono menor que 2%. Muchas de las cenizas volantes de la Clase C cuando se exponen al agua, se hidratan y se endurecen en menos de 45 minutos. Algunas cenizas volantes se encuadran en ambas Clases F y C. La ceniza volante se emplea en cerca del 50% de los concretos premezclados de los Estados Unidos (PCA 2000). La ceniza volante Clase F se usa con una dosis del 15% al 25% de la masa del material cementante y la ceniza volante Clase C con una dosis del 15% al 40% de la masa del material cementante. La dosificación varía con la reactividad de la ceniza volante y con los efectos deseados en el concreto (Helmuth 1987 y ACI 232 1996).

Fig. 3-5. Escoria granulada de alto horno molida. (69800)

de 1500°C (2730°F) se enfría rápidamente y se apaga en el agua para formar un material granulado vítreo. El material granulado, el cual es molido hasta menos de 45 µm, tiene un área superficial Blaine de 400 a 600 m2/kg. La densidad relativa para la escoria granulada de alto horno molida es de 2.85 a 2.95 y la densidad aparente varía de 1050 a 1375 kg/m3 (66 a 86 lb/pies3). La escoria granulada es áspera y tiene una forma angular (Fig. 3-6). En presencia del agua y de un activador,

ESCORIA La escoria granulada de alto horno molida (Fig. 3-5), también llamada cemento de escoria, se produce de la escoria siderúrgica de alto horno, la cual es un cemento hidráulico no metálico que consiste básicamente en silicatos y aluminosilicatos de calcio. Este producto se desarrolla en el estado fundido simultáneamente con el acero en un alto horno. La escoria fundida a la temperatura de cerca

Fig. 3-6. Micrografía por microscopio electrónico de barrido de partículas de escoria con aumento de 2100X. (69541) 79


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

NaOH o CaOH, ambos fornecidos por el cemento portland, la escoria se hidrata y se endurece de una manera similar al cemento portland. Sin embargo, las escorias enfriadas por el aire no presentan las propiedades hidráulicas de las escorias enfriadas por el agua. La escoria granulada de alto horno fue desarrollada en Alemania en 1853 (Malhotra 1996) y usándola desde el inicio del siglo XX (Abrams 1925). La escoria granulada de alto horno molida, cuando empleada en los concretos para uso general en los Estados Unidos, normalmente constituye del 30% al 45% de la masa del material cementante en la mezcla (Fig. 3-4) (PCA 2000), pero algunos concretos de escoria tienen 70% o más de escoria. La ASTM C 989 (AASHTO M 302) clasifica la escoria por su nivel creciente de reactividad como grado 80, 100 o 120 (tabla 3-1). La ASTM C 1073 presenta un método para la determinación de la actividad hidráulica de la escoria granulada de alto horno molida y el ACI 233 (1995) presenta una amplia discusión sobre las escorias.

Fig. 3-8. Micrografía por microscopio electrónico de barrido de partículas de humo de sílice con aumento de 20,000X. (54095)

promedio de cerca de 0.1 µm, aproximadamente cien veces menor que el promedio de las partículas de cemento. El área superficial del humo de sílice condensado es aproximadamente 20,000 m2/kg (método de la adsorción de nitrógeno). Para una comparación, el humo de tabaco tiene un área superficial de 10,000 m2/kg. Los cementos ASTM tipos I y III tienen un área superficial de 300 m2/kg a 400 m2/kg y de 500 a 600 m2/kg, respectivamente. La densidad relativa del humo de sílice es generalmente de 2.20 a 2.5, mientras que la densidad relativa del cemento portland es cerca de 3.15. La densidad aparente del humo de sílice varía de 130 a 430 kg/m3 (8 a 27 lb/pies3). El humo de sílice se vende en forma de polvo pero es más comúnmente encontrado en líquido. El humo de sílice se usa en cantidades que varían del 5% al 10% de la masa total de material cementante. Se emplea donde sea necesario un alto grado de impermeabilidad (Fig. 3-9) y alta resistencia del concreto. El humo de sílice sigue las normas ASTM C 1240, NTC 4637 y NTP 334.087, UNIT 1047. El ACI 234 (1994) y SFA (2000) presentan una amplia discusión sobre el humo de sílice.

HUMO DE SÍLICE El humo de sílice, también llamado de microsílice, humo de sílice condensado o sílice activa, es un subproducto que se usa como una puzolana (Fig. 3-7). Este subproducto es el resultado de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en hornos eléctricos durante la producción de liga de silicio o ferrosilicio. El humo de sílice sube como un vapor oxidado de los hornos a 2000°C (3620°F). Cuando se enfría, el humo se condensa y se colecta en bolsas de tela enormes. El humo de sílice condensado se procesa para removerle las impurezas y para controlar el tamaño de las partículas. El humo de sílice condensado es básicamente dióxido de silicio (normalmente más del 85%) en una forma no cristalina (amorfa). Por ser un material transportado por el aire, tal como la ceniza volante, presenta una forma esférica (Fig. 3-8). Se trata de un material extremamente fino, con partículas con menos de 1 mm de diámetro y con diámetro

PUZOLANAS NATURALES Las puzolanas naturales se usan hace siglos. El término “puzolana” viene de una ceniza volcánica extraída en Pozzuoli, un pueblo de Nápoles, Italia. Esta ceniza fue resultado de la erupción del Monte Vesuvio, en 79 DC. Sin embargo, el empleo de la ceniza volcánica y de la arcilla calcinada en otras culturas data de 2000 AC o tal vez antes. Muchas de las estructuras romanas, griegas, indianas y egipcias, producidas con concreto de puzolana, se las pueden visitar aún hoy, comprobando la durabilidad de estos materiales.

Fig. 3-7. Polvo de humo de sílice. (69801) 80


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales

Fig. 3-9. A pesar de que el humo de sílice y la metacaolinita se indican para el uso de construcciones en general, normalmente estos materiales se emplean en aplicaciones tales como (izquierda) puentes y (derecha) garajes con la intención de disminuirse la penetración de cloruros en el concreto. (68681, 69542)

mente entre 15% y 35% y también para aumentar la resistencia al ataque de sulfato, controlar la reactividad álcali-agregado y reducir la permeabilidad. Su densidad relativa es de 2.40 a 2.61 y su finura Blaine es de 650 m2/kg a 1350 m2/kg. El esquisto calcinado puede contener del 5% al 10% de calcio, resultando en un material con alguna propiedad cementante o hidráulica. Debido a la cantidad de calcita residual, la cual no es totalmente calcinada, y a las moléculas de agua adsorvidas en el mineral de arcilla, el esquisto calcinado tiene una pérdida por ignición del 1% al 5%. La pérdida por ignición del esquisto calcinado no es una medida o indicación de la cantidad de carbono, como podría ser en la ceniza volante. La metacaolinita, una arcilla calcinada especial, se produce por la calcinación a baja temperatura de la arcilla caolin de alta pureza. El producto se muele hasta un tamaño de partícula promedio de cerca de 1 a 2 micrómetros. La metacaolinita se usa en aplicaciones especiales, donde se necesite baja permeabilidad y muy alta resistencia. En estas aplicaciones, la metacaolinita se usa mucho más como un aditivo al concreto que como un substituto

La experiencia americana con puzolanas naturales data del principio del siglo XX en proyectos de obras públicas, tales como presas, donde fueron utilizadas para controlar el aumento de la temperatura en concreto masivo y fornecer material cementante. Además del control del aumento de la temperatura, las puzolanas naturales se usan para mejorar la resistencia al ataque de sulfato y está entre los primeros materiales a controlar, comprobadamente, la reacción álcali-agregado. Las puzolanas naturales más comúnmente empleadas hoy en día son los materiales procesados, los cuales se tratan por altas temperatura en los hornos y después se muelen hasta que se transformen en un polvo fino (Fig. 3-10, 3-11 y 3-12). Estos materiales incluyen arcillas calcinadas, esquisto calcinado y metacaolinita. Las arcillas calcinadas se emplean en construcciones en concreto para uso universal, de la misma manera que las otras puzolanas (Fig. 3-4). Las arcillas calcinadas se pueden utilizar como substitutas parciales del cemento, normal-

Fig. 3-10. Micrografía por microscopio electrónico de barrido de partículas de esquisto calcinado con aumento de 5000X. (69543)

Fig. 3-11. La metacaolinita es una arcilla calcinada. (69803) 81


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 grado de influencia. En primer lugar, se debe observar que el efecto de estos materiales sobre las mezclas de concreto varía considerablemente. Los atributos de estos materiales, cuando adicionados separadamente a la mezcla de concreto, se los pueden encontrar también en los cementos adicionados con materiales cementantes suplementarios.

Demanda de Agua Las mezclas de concreto que contienen ceniza volante requieren normalmente menos agua (cerca de 1% a 10% menos agua para dosis normales de cenizas) que un concreto que contenga sólo cemento portland, para un mismo asentamiento (revenimiento) del cono de Abrams. Dosis más altas de ceniza pueden resultar en reducciones mayores del agua (tabla 3-5). Sin embargo, algunas cenizas volantes pueden aumentar la demanda de agua en hasta 5% (Gebler y Klieger 1986). La ceniza volante disminuye la demanda de agua de la misma manera que los reductores de agua químicos líquidos (Helmuth 1987). La escoria molida normalmente disminuye la demanda de agua del 1% al 10%, dependiendo de su dosis. Cuanto mayor la cantidad de humo de sílice, mayor la demanda de agua en el concreto, a menos que se use un reductor de agua o un plastificante. En algunas mezclas pobres puede no ocurrir un aumento de la demanda de agua, cuando se empleen pequeñas cantidades (menos del 5%) de humo de sílice. Las arcillas calcinadas y los esquistos calcinados en dosis normales generalmente tienen poco efecto sobre la demanda de agua, pero otras puzolanas naturales pueden aumentar o disminuir considerablemente la necesidad de agua.

Fig. 3-12. Micrografía por microscopio electrónico de barrido de partículas de arcilla calcinada con aumento de 2000X. (69544)

del cemento. La adición típica es de aproximadamente 10% de la masa del cemento. Las puzolanas naturales se clasifican por la ASTM C 618 (AASHTO M 295) como puzolana Clase N (Tabla 3-1). El ACI 232 (2000) presenta una discusión sobre las puzolanas naturales. La Tabla 3-4 enseña el análisis químico típico y las propiedades seleccionadas de las puzolanas.

EFECTOS EN EL CONCRETO FRESCO Esta sección presenta una breve discusión a respecto de las propiedades del concreto fresco que se afectan por los materiales cementantes suplementarios, además de su

Tabla 3-4. Análisis Químico y Propiedades Seleccionadas de Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice, Arcilla Calcinada, Esquisto Calcinado y Metacaolinita Típicos

SiO2, % Al2O3, % Fe2O3, % CaO, % SO3, % Na2O, % K2O, % Total Na eq. alc, % Pérdida por ignición Finura Blaine, m2/kg Densidad relativa

Clase F (ASTM) 52 23 11 5 0.8 1.0 2.0

Clase C (ASTM) 35 18 6 21 4.1 5.8 0.7

Escoria granulada 35 12 1 40 9 0.3 0.4

Humo de sílice 90 0.4 0.4 1.6 0.4 0.5 2.2

Arcilla calcinada 58 29 4 1 0.5 0.2 2

Esquisto calcinado 50 20 8 8 0.4 — —

Metacaolinita 53 43 0.5 0.1 0.1 0.05 0.4

2.2

6.3

0.6

1.9

1.5

0.3

2.8

0.5

1.0

3.0

1.5

3.0

0.7

420

420

400

20,000

990

730

19,000

2.38

2.65

2.94

2.40

2.50

2.63

2.50

82


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales Tabla 3-5. Efecto de la Ceniza Volante sobre la Demanda de Agua de Mezcla en Concretos con Aire Incluido (incorporado) Identificación De la mezcla de ceniza volante

Contenido de ceniza volante, % de la masa del material cementante

Clase de ceniza volante

Cambio en el agua de mezcla necesaria comparada con el control

C1A

C

25

-6

C1D

F

25

-2

C1E

F

25

-6

C1F

C

25

-8

C1G

C

25

-6

C1J

F

25

-6 -18

C2A

C

50

C2D

F

50

-6

C2E

F

50

-14

C2F

C

50

-16

C2G

C

50

-12

C2J

F

50

-10

kg/m3

lb/yd3),

Todas las mezclas tenían un contenido de material cementante de 335 (565 un asentamiento (revenimiento) del cono de Abrams de 125 ± 25 mm (5 ± 1 pulg.) y un contenido de aire de 6 ± 1%. La relación agua-cemento más ceniza volante ha variado de 0.40 a 0.48 (Whiting 1989).

pueden utilizar concretos con revenimiento (asentamiento) mayor. La arcilla calcinada, el esquisto calcinado y la metacaolinita tienen poca influencia sobre el sangrado.

Trabajabilidad Ceniza volante, escoria, arcilla calcinada y esquisto calcinado normalmente mejoran la trabajabilidad de concretos con el mismo revenimiento (asentamiento). El humo de sílice puede contribuir para la cohesión de la mezcla del concreto. Algunos ajustes, tal como el uso de reductores de agua de alto rango, pueden ser necesarios para la manutención de la trabajabilidad y para permitir la compactación y acabado adecuados.

Tabla 3-6. Efecto de la Ceniza Volante sobre el Sangrado del Concreto (ASTM C 232, AASHTO T 158)* Mezclas de ceniza volante Clase de la ceniza Identificación volante (ASTM) A C B F C F D F E F F C G C H R I C J F Promedio de: Clase C Clase F Mezcla de control

Sangrado y Segregación Los concretos con ceniza volante normalmente presentan menos sangrado (exudación) y segregación que el concreto convencional (Tabla 3-6). Este efecto es especialmente valioso, principalmente en mezclas producidas con agregados deficientes en finos. La reducción del agua exudada se debe principalmente por la disminución en la demanda de agua. Gebler y Klieger (1986) relacionan la reducción del agua exudada del concreto con la disminución de la demanda de agua en los morteros con ceniza volante. Los concretos, conteniendo escoria molida con finura comparable a la finura del cemento, tienden a presentar un aumento tanto de la tasa como de la cantidad de sangrado, pero esto parece no tener ningún efecto adverso sobre la segregación. Las escorias más finas que el cemento disminuyen el sangrado. El humo de sílice es muy efectivo en la reducción de ambas, el sangrado y la segregación, y, como resultado, se

Sangrado (exudación) Porcentaje mL/cm2** 0.22 0.007 1.11 0.036 1.61 0.053 1.88 0.067 1.18 0.035 0.13 0.004 0.89 0.028 0.58 0.022 0.12 0.004 1.48 0.051 0.34 1. 31

0.011 0.044

1. 75

0.059

* Todas las mezclas tenían un contenido de material cementante de 307 kg/m3 (517 lb/yd3), un asentamiento del cono de Abrams de 75 ± 25 mm (3 ± 1 pulg.) y un contenido de aire de 6 ± 1%. Las mezclas con ceniza volante contenían 25% de ceniza volante con relación a la masa de material cementante (Gebler y Klieger 1986). ** Volumen de agua exudada por área superficial.

83


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Calor de Hidratación

La cantidad de aditivo inclusor (incorporador) de aire necesaria para la obtención de una cantidad específica de aire incluido es normalmente mayor cuando se usa ceniza volante. La ceniza volante Clase C (ASTM C 618, AASHTO M 295) necesita de menos aditivo incorporador de aire que la ceniza volante Clase F (ASTM C 618, AASHTO M 295) y tiende a perder menos aire durante el mezclado (Tabla 3-7). La escoria molida tiene un efecto variable sobre la dosis necesaria de aditivo inclusor de aire. El humo de sílice tiene una influencia notable sobre los requisitos de aditivos inclusores de aire, aumentándolos rápidamente con el aumento de la cantidad de humo de sílice en el concreto. La adición de ambos, ceniza volante y humo de sílice en concretos sin aire incluido, normalmente reduce la cantidad de aire atrapado. La cantidad de aditivo inclusor de aire necesaria para una cierta cantidad de aire en el concreto es en función de la finura, contenido de carbono, contenido de álcalis, contenido de material orgánico, pérdida por ignición y presencia de impurezas en la ceniza volante. El aumento de la cantidad de álcalis disminuye la dosis de aditivo incorporador de aire, mientras que el aumento de las otras propiedades, aumenta la demanda de dosis. El ensayo del índice de espuma fornece una indicación de la demanda de dosis de los aditivos inclusores de aire para mezclas con ceniza volante con relación a mezclas sin ceniza. Se lo puede usar para anticipar la necesidad de aumento o disminución de la dosis, basado en los cambios del índice de espuma (Gebler y Klieger 1983). La dosis del incorporador de aire y las características de retención de aire de concretos conteniendo escorias o puzolanas naturales son similares a las mezclas producidas sólo con cemento portland.

Las cenizas volantes, puzolanas naturales y escorias granuladas tienen un calor de hidratación más bajo que el cemento portland, consecuentemente su empleo reduce el calor liberado en las estructuras de concreto (Fig. 3-13). La arcilla calcinada libera un calor de hidratación similar al del cemento de moderado calor de hidratación (Barrer y otros 1997). Algunas puzolanas liberan sólo 40% del calor de hidratación de aquél del cemento ASTM tipo I. Esta reducción en el aumento de la temperatura es especialmente benéfica en el concreto usado en estructuras masivas. El humo de sílice puede o no reducir el calor de hidratación. Detwiler y otros (1996) fornecen una discusión sobre el efecto de las puzolanas y escorias sobre el calor de hidratación.

Calor, porcentaje en relación al cemento tipo I ASTM a los 28 días

Contenido de Aire

120 Cemento tipo I ASTM

100

70% de escoria

80 60 40 20 0 0

5

10

15 20 Tiempo, días

25

30

Fig. 3-13. Comparación del calor de hidratación a 20°C (68°F) entre la escoria y el cemento Tipo I (ASTM C 150).

Tabla 3-7. Efecto de la Ceniza Volante sobre la Dosis de Aditivo Inclusor de aire y sobre la Retención del Aire Mezclas de ceniza volante

Contenido de aire, % Minutos despué del mezclado inicial

Identification

Clase de la ceniza volante (ASTM)

Porcentaje del aditivo inclusor de aire con relación al control

0

30

60

90

A

C

126

7.2

6.0

6.0

5.8

B

F

209

5.3

4.1

3.4

3.1

C

F

553

7.0

4.7

3.8

2.9

D

F

239

6.6

5.4

4.2

4.1

E

F

190

5.6

4.6

4.3

3.8

F

C

173

6.8

6.5

6.3

6.4

G

C

158

5.5

4.8

4.5

4.2

H

R

170

7.6

6.9

6.5

6.6

I

C

149

6.6

6.5

6.5

6.8

J

F

434

5.5

4.2

3.8

3.4

100

6.6

6.0

5.6

5.3

Mezcla de control kg/m3

lb/yd3),

Los concretos tenían un contenido de material cementante de 307 (517 un asentamiento del cono de Abrams de 75 ± 25 mm (3 ± 1 pulg.) y un contenido de aire de 6 ± 1%. Las mezclas con ceniza volante contenían 25% de ceniza volante en relación a la masa de material cementante (Gebler y Klieger 1983).

84


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales

Tiempo de Fraguado

Fisuración por Contracción Plástica

El uso de ceniza volante y escoria granulada de alto horno molida normalmente retarda el tiempo de fraguado (Tabla 3-8). El grado de retardo depende de factores como la cantidad de cemento portland, la demanda de agua, el tipo, la reactividad y la dosis de escoria o puzolana y la temperatura del concreto. El retardo del tiempo de fraguado puede ser una ventaja en clima caluroso, permitiendo más tiempo para la colocación y el acabado del concreto. Sin embargo, en el clima frío, puede ocurrir un retardo grande con ciertos materiales, retardando considerablemente las operaciones de acabado. Se pueden usar los aditivos aceleradores para disminuir el tiempo de fraguado. Las arcillas y esquistos calcinados tienen poco efecto sobre el tiempo de fraguado.

Debido a su bajo sangrado (exudación), el concreto con humo de sílice puede presentar un aumento de la fisuración por contracción plástica (agrietamiento por retracción plástica). Se puede evitar este problema garantizándose que el concreto esté protegido de la desecación, tanto durante como después del acabado. Otras puzolanas y escorias tienen normalmente poco efecto sobre el agrietamiento por contracción plástica. Los materiales cementantes suplementarios que aumentan significantemente el tiempo de fraguado pueden aumentar los riesgos de la fisuración por retracción plástica.

Curado Los efectos de las condiciones de temperatura y humedad, sobre las propiedades de fraguado y desarrollo de resistencia de los concretos con materiales cementantes suplementarios, son similares a sus efectos sobre el concreto producido sólo con cemento portland. Sin embargo, el tiempo de fraguado necesita ser mayor para ciertos materiales con desarrollo de resistencia temprana lento. Cantidades elevadas de humo de sílice pueden producir concretos con muy alta cohesión, baja segregación de los agregados y bajo sangrado (exudación). Como hay poca o ninguna agua de sangrado disponible para la evaporación sobre la superficie del concreto, la fisuración plástica se puede desarrollar rápidamente, especialmente en clima caluroso, días ventosos, si no se toman precauciones especiales.

Acabado El concreto conteniendo materiales cementantes suplementarios se puede acabar de manera igual o más fácil que el concreto sin material cementante suplementario. Las mezclas que contienen cantidades altas de estos materiales, especialmente humo de sílice, pueden ser pegajosas y difíciles de acabar.

Bombeabilidad El uso de materiales cementantes suplementarios generalmente ayuda a la bombeabilidad del concreto. El humo de sílice es el material más eficiente, especialmente en mezclas pobres.

Tabla 3-8. Efecto de la Ceniza Volante sobre el Tiempo de Fraguado del Concreto Mezclas de ceniza volante

Tiempo de fraguado, hr:min

Retraso con relación al control, hr:min

Identificación

Clase de la ceniza volante (ASTM)

Inicio

Fin

Inico

Fin

A

C

4:30

5:35

0:15

0:05

B

F

4:40

6:15

0:25

0:45

C

F

4:25

6:15

0:10

0:45

D

F

5:05

7:15

0:50

1:45

E

F

4:25

5:50

0:10

0:20

F

C

4:25

6:00

0:10

0:30

G

C

4:55

6:30

0:40

1:00

H

R

5:10

7:10

0:55

1:40

I

C

5:00

6:50

0:45

1:20

J

F

5:10

7:40

0:55

2:10

Promedio de: Clase C Clase F

4:40 4:50

6:15 6:45

0:30 0:35

0:45 1:15

Mezcla de control

4:15

5:30

kg/m3

lb/yd3)

Los concretos tenían un contenido de material cementante de 307 (517 y las mezclas con ceniza volante contenían 25% de ceniza volante con relación a la masa de material cementante. La relación agua-cemento más ceniza volante era de 0.40 a 0.45. Los ensayos se realizaron a una temperatura de 23°C (Gebler y Klieger 1986).

85


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

El curado adecuado del concreto, especialmente de aquéllos conteniendo materiales cementantes suplementarios, debe empezar inmediatamente después del acabado. El curado húmedo por siete días o el curado con membranas es adecuado para los concretos con cantidades normales de la mayoría de los materiales cementantes suplementarios. De la misma manera que ocurre en el concreto con cemento portland, el curado con bajas temperaturas puede reducir el desarrollo de la resistencia temprana (Gebler y Klieger 1986).

requeridos. Sin embargo, esto afecta menos el concreto conteniendo humo de sílice, cuya resistencia normalmente se iguala o supera la resistencia a un día de la mezcla de control con sólo cemento portland. El humo de sílice contribuye para el desarrollo de la resistencia principalmente entre 3 y 28 días, cuando la resistencia del concreto con humo de sílice excede la resistencia de la mezcla con sólo cemento portland. El humo de sílice también ayuda el desarrollo de la resistencia de concretos con ceniza volante. El desarrollo de la resistencia del concreto con ceniza volante, escoria granulada, arcilla calcinada o esquisto calcinado es similar al concreto normal si curado a una temperatura de aproximadamente 23°C (73°F). La Figura 3-15 muestra que la tasa de desarrollo de resistencia, con relación a la resistencia a los 28 días, del concreto con ceniza volante es similar a la tasa del concreto sin ceniza volante. Los concretos producidos con algunas cenizas volantes altamente reactivas (especialmente las cenizas tipo C, con alto contenido de calcio) o escorias granuladas pueden igualar o exceder la resistencia de control de 1 a 28 días. Algunas cenizas volantes y puzolanas naturales requieren de 28 a 90 días para exceder la resistencia de control a los 28 días, dependiendo de las proporciones de la mezcla. Los concretos conteniendo cenizas Clase C (ASTM C 618, AASHTO M 295) normalmente desarrollan resistencia temprana mayor que los concretos con cenizas Clase F (ASTM C 618, AASHTO M 295). Se puede mejorar el desarrollo de la resistencia del concreto: (1) aumentándose la cantidad del material cementante del concreto; (2) adicionándose materiales cementantes de alta resistencia inicial; (3) disminuyéndose la relación agua-material cementante; (4) aumentándose la temperatura de curado o (5) empleándose un aditivo acelerador. La Figura 3-16 muestra el beneficio del uso de ceniza volante en vez de la sustitución del cemento con relación al desarrollo de resistencia el clima frío. El diseño de concreto masivo frecuentemente se aprovecha del

EFECTOS SOBRE EL CONCRETO ENDURECIDO Resistencia La ceniza volante, la escoria granulada de alto horno molida, la arcilla calcinada, la metacaolinita, el esquisto calcinado y el humo de sílice contribuyen para el aumento de la resistencia del concreto. Sin embargo, la resistencia del concreto con estos materiales puede ser tanto mayor como menor que la resistencia del concreto que contenga sólo cemento portland. La Figura 3-14 muestra esto para diversas cenizas volantes. La resistencia a tensión, a flexión, a torsión y de adherencia se afectan de la misma manera que la resistencia a compresión. Debido a la reacción puzolánica lenta de ciertos materiales cementantes suplementarios, el curado húmedo continuo y con temperaturas favorables puede ser necesario por periodos más largos que los normalmente

6

5 300 4

Nada Ceniza volante A Ceniza volante D Ceniza volante E Ceniza volante F Ceniza volante G Ceniza volante J

200 150

0

1

10 Edad, días

3

2

180 160 Resistencia a compresión, porcentaje en relación a la resistencia a los 28 días

Resistencia a compresión, kg/cm 2

MPa = 10.2 kg/cm 2

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg 2

400

1 100

140

28 días

120 100 80 60 40

Con ceniza volante

20

Sin ceniza volante

0 1

Fig. 3-14. Desarrollo de la resistencia a compresión a 1, 3, 7, 28 y 90 días de edad de mezclas de concreto conteniendo 307 Kg/m3 (517 lb/yardas3) de materiales cementantes, de los cuales 25% de la masa es ceniza volante (Whiting 1989).

10

100 Edad, días

1000

10000

Fig. 3-15. Aumento de la resistencia a compresión como porcentaje de la resistencia a compresión a los 28 días de concretos con y sin ceniza volante (Lange 1994).

86


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales

500

7100 6400

450 MPa = 10.2 kg/cm2

5700

400

5000

350

Control

300

Ceniza volante A 20% S

4300

Ceniza volante A 20% P 250

2.2

7800

2900

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

6

MPa = 10.2 kg/cm2

3600

Ceniza volante A 20% A

3

Curado húmedo por 28 días, Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg 2 4 5

2.0

Profundidad de desgaste, mm

550

Resistencia a compresión, kg/cm 2

8500

Curado en clima frío: Primeras 24 hrs a 23OC (73OF) Restante a 4OC (39OF)

Resistencia a compresión, lb/pulg 2

600

1.8

1.6

1.4

1.2

90

Edad, días 1.0 200

Fig. 3-16. Resistencias a compresión de concretos curados a 23°C (73°F) durante las primeras 24 horas y curados a 4°C (40°F) durante el restante del tiempo. El concreto de control tenía un contenido de cemento de 322 Kg/m3 (560 lb/yardas3) y una relación a/c de 0.45. Las curvas de ceniza volante enseñan sustitución por cemento (S), substitución parcial (igual) por cemento y arena y adición de ceniza volante con relación a la masa de cemento (A). La sustitución parcial del cemento o la adición de ceniza volante presentan desarrollo de resistencia similar a la mezcla de control que posee sólo cemento, incluso en clima frío (Detwiler 2000).

250 300 350 Curado húmedo por 28 días, Resistencia a compresión, kg/cm 2

400

Fig. 3-17. Comparación de la resistencia a abrasión y de la resistencia a compresión de varios concretos con 25% de ceniza volante. La resistencia a abrasión aumenta con el aumento de resistencia a compresión (Gebler y Klieger 1986).

cia. Concretos conteniendo ceniza volante son tan resistentes a la abrasión cuanto un concreto de cemento portland sin ceniza (Gebler y Klieger 1986). La Figura 3-17 ilustra que la resistencia a abrasión de concretos con ceniza volante se relaciona con la resistencia a compresión.

retraso del desarrollo de la resistencia de las puzolanas, pues estas estructuras no se las ponen en servicio inmediatamente. El desarrollo lento de la resistencia temprana que resulte del uso de materiales cementantes suplementarios es una ventaja en la construcción en clima caluroso, pues da más tiempo para la colocación y el acabado del concreto. Con los ajustes adecuados de la mezcla, se pueden utilizar todos los materiales cementantes suplementarios en todas las estaciones. Los materiales cementantes suplementarios son esenciales para la producción de los concretos de alta resistencia. La ceniza volante se usa principalmente para la producción de concreto con resistencias de hasta 1000 kg/cm2 o 100 MPa (15,000 lb/pulg2). Los productores de concreto premezclado pueden, hoy en día, producir concretos con hasta 1400 kg/cm2 o 140 MPa (20,000 lb/pulg2), con el empleo de humo de sílice, reductores de agua de alto rango y agregados adecuados (Burg y Ost 1994).

Resistencia a Congelación-Deshielo Es imprescindible que, para el desarrollo de la resistencia a la deterioración por ciclos de congelación-deshielo, el concreto tenga adecuada resistencia y cantidad de aire incluido. Para que el concreto con material cementante suplementario presente la misma resistencia a los ciclos de congelación-deshielo de un concreto que contenga sólo cemento portland, los dos tipos de concreto deben respetar cuatro condiciones: 1. Deben tener la misma resistencia a compresión. 2. Deben tener una cantidad adecuada de aire incluido, con características apropiadas de vacíos de aire. 3. Se deben curar adecuadamente. 4. Se deben secar al aire un mes antes de su exposición a las condiciones de congelación.

Resistencia al Impacto y a la Abrasión La resistencia a abrasión y al impacto del concreto se relacionan con la resistencia a compresión y el tipo de agregado. Los materiales cementantes suplementarios normalmente no afectan estas propiedades tanto como afectan la resisten-

La Tabla 3-9 enseña una resistencia a la congelación igual en concretos con y sin ceniza volante. La Figura 3-18 muestra la durabilidad a largo plazo de concretos con ceniza volante, escoria o esquisto. 87


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 3-9. Resistencia a la Congelación y a los Descongelantes de Concretos con Ceniza Volante

Mezclas de ceniza volante Clase de la Identificación volante (ASTM) A C B F C F D F E F F C G C H F I C J F Promedio de: Clase C Clase F Mezcla de control

Resultados en 300 ciclos Resistencia al congelamiento en agua, Resistencia al descascaramiento ASTM C 666 Método A (AASHTO T 161) por sales ASTM C 672** Pérdida Factor de Curado Compuesto Expansión, % de masa, % durabilidad con agua de curado 0.010 1.8 105 3 2 0.001 1.2 107 2 2 0.005 1.0 104 3 3 0.006 1.3 98 3 3 0.003 4.8 99 3 2 0.004 1.8 99 2 2 0.008 1.0 102 2 2 0.006 1.2 104 3 2 0.004 1.7 99 3 2 0.004 1.0 100 3 2 0.006 0.004

1.6 1.8

101 102

3 3

2 2

0.002

2.5

101

2

2

kg/m3

* Los concretos tenían un contenido de material cementante de 307 (517 lb/yd3) y la relación agua-material cementante era de 0.40 a 0.45, un contenido de aire incluido de 5% a 7% y un asentamiento (revenimiento) de 75 mm a 100 mm (3 pulg. a 4 pulg.). El contenido de ceniza volante era de 25% de la masa del material cementante (Gebler y Klieger 1986a). ** Grado de descascaramiento (consulte a la derecha) 0 = sin descascaramiento 1 = descacaramiento ligero 2 = descacaramiento de ligero a moderado 3 = descacaramiento moderado 4 = descacaramiento de moderado a severo 5 = descacaramiento severo

A

(2718)

C

B

D

Fig. 3-18. Vista de losas de concreto en el área externa de pruebas de la PCA (Skokie, Illinois) conteniendo (A) ceniza volante, (B) escoria, (C) esquisto calcinado y (D) cemento portland después de una exposición a sales anticongelantes y congelación de 30 años. Estas muestras enseñan la durabilidad del concreto con varios tipos de material cementante. Fuente: RX 157, Cemento LTS No. 51, losas con 335 Kg/m3 (564 lb/yardas3) de material cementante y aire incluido. (69714, 69716, 69715, 69717) 88


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales tland, una cantidad adecuada de aire incluido, acabado y curado apropiados y un periodo de secado al aire antes de la exposición del concreto a las sales y a las temperaturas de congelación. El concreto pobre con contenido de material cementante de 240 kg/m3 (405 lb/ yd3) o menos puede ser especialmente vulnerable a los descongelantes y al descascaramiento. Se recomienda un contenido mínimo de material cementante de 335 kg/m3 (564 lb/ yd3) y una relación agua-materiales cementantes máxima de 0.45. Un sistema de vacíos de aire satisfactorio también es un factor crítico. La importancia del uso de bajas relaciones aguacemento para la resistencia al descascaramiento se presenta en la Figura 3-19. El efecto de altas cantidades de cenizas volantes y bajos contenidos de material cementante se enseña en la Figura 3-20. El desempeño de concretos resistentes al descacaramiento conteniendo 25% de ceniza volante (con relación a la masa del material cementante) se presenta en la Tabla 3-9. La tabla muestra que los concretos bien diseñados, colados y curados con y sin ceniza volante son igualmente resistentes a los descongelantes. El código de construcción ACI 318 (Building Code) declara que el contenido máximo de ceniza volante, escoria y humo de sílice debe ser 25%, 50% y 10% de la masa del material cementante, respectivamente para exposición a descongelantes. Cantidades mayores o menores que estos límites se mostraron durables en algunos casos y no durables en otros. Diferentes materiales responden de manera diversa a los ambientes. La selección de los materiales y de las proporciones se debe basar en la experiencia local y se debe comprobar la durabilidad a través del desempeño en campo o en laboratorio.

Resistencia a Sales Descongelantes

Grado de descascaramiento después de 50 ciclos

Décadas de experiencia en campo han demostrado que los concretos con aire incluido, que contienen cantidades normales de ceniza volante, escoria, humo de sílice, arcilla calcinada o esquisto calcinado, son resistentes al descascaramiento causado por la aplicación de sales descongelantes (anticongelantes) en un ambiente de congelacióndeshielo. Las pruebas de laboratorio indican que la resistencia a los descongelantes del concreto producido con materiales cementantes suplementarios es normalmente igual a la resistencia del concreto sin material cementante suplementario. La resistencia al descascaramiento puede disminuir con el aumento del contenido de ciertos materiales cementantes suplementarios. Sin embargo, los concretos diseñados, colocados y curados adecuadamente han demostrado buena resistencia al descascaramiento aun cuando producidos con altas cantidades de estos materiales. La resistencia al descascaramiento de todos los concretos se mejora significantemente con el uso de baja relación agua-cemento, un contenido moderado de cemento por5 ASTM C 672 4 3 2 1 0

Curado húmedo 0.4

0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 1 Relación agua-cemento portland

1.1

1.2

Contracción por Secado y Fluencia

Fig. 3-19. Relación entre la resistencia al descascaramiento por descongelantes y la relación agua-cemento de varios concretos con aire incluido con y sin ceniza volante. El grado 0 en la escala significa que no hubo descascaramiento y el grado 5 significa descascaramiento severo (Whiting 1989).

4

Material cementante 250 kg/m3 (417 lb/yd3) 305 kg/m3 (508 lb/yd3) 335 kg/m3 (588 lb/yd3)

3 2 1 0

5

25% de reemplazo Curado húmedo

Grado de descascaramiento después de 150 ciclos (ASTM C 672)

Grado de descascaramiento después de 150 ciclos (ASTM C 672)

5

Cuando usado en pequeñas cantidades, el efecto de la ceniza volante, escoria granulada de alto horno molida, arcilla calcinada, esquisto calcinado y humo de sílice sobre la contracción por secado y la fluencia del concreto es

Ninguna

A

D E F Ceniza volante

G

J

50% de reemplazo Curado húmedo

4 3

Material cementante 250 kg/m3 (417 lb/yd3) 305 kg/m3 (508 lb/yd3) 335 kg/m3 (588 lb/yd3)

2 1 0

Ninguna

A

D E F Ceniza volante

G

J

Fig. 3-20. Relación entre la resistencia al descascaramiento por descongelantes y la cantidad de ceniza volante en concretos con aire incluido, producidos con relaciones agua-material cementante que varían de medianas a altas. Reemplazo de cemento portland por ceniza volante: (izquierda) 25% y (derecha) 50%. El grado 0 en la escala significa que no hubo descascaramiento y el grado 5 significa descascaramiento severo (Whiting 1989). 89


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 0.7

generalmente pequeño y tiene poco significado práctico. Algunos estudios indican que el humo de sílice puede reducir la fluencia (Burg y Ost 1994).

Sin puzolana 0.6

Permeabilidad y Absorción Ceniza volante, escoria molida y puzolana natural generalmente reducen la permeabilidad y la absorción del concreto bien curado. El humo de sílice y la metacaolinita son especialmente eficientes en este sentido. El humo de sílice y la arcilla calcinada pueden producir un concreto con resistencia a los sulfatos de 1000 Coulombs, usando el ensayo acelerado de permeabilidad a cloruros ASTM C 1202 (Barrer y otros 1997). Las pruebas enseñan que la permeabilidad de los concretos disminuye a medida que la cantidad de material cementante hidratado aumenta y a medida que la relación agua-material cementante disminuye. La absorción del concreto con ceniza volante es prácticamente la misma del concreto sin ceniza, a pesar que algunas cenizas pueden reducir la absorción en 20% o más.

Expansión, porcentaje

0.5 ASTM C 441 Cemento: 0.92% de álcalis Vidrio pirex

0.4

0.3

0.2 20% de esquisto calcinado 20% de arcilla calcinada

0.1

Reactividad Álcali-Agregado 0

Expansión a 14 días ASTM C 1260, porcentaje

La reactividad álcali-agregado se puede controlar a través del empleo de ciertos materiales cementantes suplementarios. El humo de sílice, la ceniza volante, la escoria granulada de alto horno, la arcilla calcinada, el esquisto calcinado y otras puzolanas pueden reducir considerablemente la reacción álcali-sílice (Fig. 3-21 y 3-22). Las cenizas de bajo

0

0.15 0.10 0.05

15% 25% 15% 25% Ceniza Ceniza volante volante Mediano-CaO Alto-CaO

35% 50% Escoria

6 8 Edad, meses

10

12

contenido de calcio F (ASTM C 618, AASHTO M 295) han reducido, en algunos casos, en más del 70% la expansión por la reactividad. Con una cantidad óptima, las cenizas Clase C (ASTM C 618, AASHTO M 295) también pueden reducir la reactividad, pero en un grado menor que las cenizas de la Clase F. Los materiales cementantes suplementarios fornecen hidratos de silicato de calcio adicionales para atar los álcalis en el concreto (Bhatty 1985 y Bhatty y Greening 1986). La determinación de la dosificación óptima del material cementante suplementario es importante para maximizar la reducción de la reactividad y para evitar dosificaciones y materiales que pueden agravar la reactividad. La dosificación debe ser verificada a través de ensayos, tales como: ASTM C 1260 (AASHTO T 303), ASTM C 1293, NTP 334.117 y UNIT 1038. Los materiales cementantes suplementarios que reducen la reacción álcali-sílice no reducen la reacción álcali-carbonato, que es un tipo de reacción que envuelve los álcalis del cemento y ciertos calcáreos dolomíticos.

0.20

15% 25% Ceniza volante Bajo-CaO

4

Fig. 3-22. Reducción de la reactividad álcali-sílice por la arcilla calcinada y el esquisto calcinado (Lerch 1950).

0.25

0

2

Control

Fig. 3-21. Efecto de diferentes cenizas volantes y escorias sobre la reactividad álcali-sílice. Observe que algunas cenizas volantes son más eficientes que otras en el control de la reacción y que la cantidad de ceniza volante y escoria es un factor crítico. Se ha empleado un agregado natural altamente reactivo en este ensayo. Un agregado menos reactivo necesitaría menos ceniza o escoria para el control de la reacción. Un límite usual para la evaluación de la eficiencia de puzolanas o escorias es 0.10% de expansión en el método de ensayo acelerado en barras de mortero (Detwiler 2002).

Resistencia a los Sulfatos Con una correcta dosificación y selección de materiales, el humo de sílice, la ceniza volante, el esquisto calcinado y la escoria granulada pueden mejorar la resistencia del concreto al ataque de sulfatos o al agua de mar. Esto ocurre 90


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales principalmente por la disminución de la permeabilidad y por la reducción de la cantidad de elementos reactivos (tal como el calcio) necesarios para las reacciones expansivas del sulfato. En concretos pobres, un estudio ha mostrado que para una ceniza particular de la Clase F (ASTM C 618, AASHTO M 295), la cantidad adecuada de ceniza para la mejoría de la resistencia a los sulfatos fue 20% del cemento más la ceniza volante. Los contenidos elevados de ceniza volante presentaron un efecto perjudicial sobre el concreto, lo que ilustra la necesidad de determinarse el contenido óptimo de ceniza (Stark 1989). La resistencia a los sulfatos de concretos con alto contenido de cemento y baja relación agua-cemento producidos con cementos resistentes a sulfatos es tan grande que las cenizas volantes tienen poca oportunidad de mejorar tal resistencia. Los concretos con ceniza Clase F son normalmente más resistentes a los sulfatos que aquéllos producidos con ceniza Clase C. Algunas cenizas Clase C han reducido la resistencia a los sulfatos en dosificaciones normales. La escoria molida es generalmente considerada beneficiosa en ambientes con sulfatos. Sin embargo, un estudio a largo plazo en un ambiente muy severo mostró una pequeña reducción de la resistencia a los sulfatos en concretos conteniendo escoria molida si comparados a concretos conteniendo sólo cemento portland (Stark 1986 y 1989). Una razón para la disminución del desempeño con la escoria es que, en este estudio, las mezclas probablemente no fueron optimizadas para la resistencia a los sulfatos. Otros estudios indican que el concreto con escoria molida tiene una resistencia a los sulfatos igual o mayor que el concreto producido con el cemento portland resistente a sulfatos tipo V (ASTM C 150) (ACI 233 y Detwiler, Bhatty y Bhattacharja 1996). La arcilla calcinada ha mostrado una resistencia mayor que el cemento resistente a sulfatos tipo V (Barrer y otros 1997).

ciona con los hidróxidos, tales como los hidróxidos de calcio, para formar carbonatos. En la reacción con el hidróxido de calcio se forma carbonato de calcio. La carbonatación baja la alcalinidad del concreto. La alta alcalinidad es necesaria para proteger la armadura de la corrosión. De esta manera, el concreto debe ser resistente a la carbonatación para ayudar a prevenir la corrosión. La cantidad de carbonatación es ampliamente aumentada en concretos con relación agua-material cementante alta, bajo contenido de cemento, periodo de curado corto, baja resistencia y pasta altamente permeable o porosa. La profundidad de carbonatación de un concreto de buena calidad es normalmente de poca importancia práctica. La ceniza volante en dosificación normal ha aumentado ligeramente la carbonatación, pero no en gran cantidad en concretos con periodos de curado húmedo corto (normal) (Campbell, Sturm y Kosmatka 1991).

Resistencia Química Los materiales cementantes suplementarios frecuentemente reducen el ataque químico por la reducción de la permeabilidad del concreto. Aunque muchos de estos materiales aumenten la resistencia química, los concretos pueden no estar completamente inmunes al ataque. El concreto expuesto a condiciones químicas severas se lo debe proteger con sistemas de barrera. Kerkhoff (2001) presenta una discusión sobre los métodos y los materiales para la protección del concreto contra la exposición severa y los productos químicos agresivos.

Sanidad Dosificaciones normales de ceniza volante, escoria, humo de sílice y puzolanas naturales no afectan la sanidad del concreto, que se protege por los requisitos de sanidad de los materiales, tales como límites de expansión en autoclave. La dosificación en el concreto no debe exceder la dosificación estimada como segura en los ensayos de autoclave.

Corrosión de la Armadura Algunos materiales cementantes suplementarios reducen la corrosión de la armadura a través de la reducción de la permeabilidad a agua, aire y iones cloruro de concretos adecuadamente curados. La ceniza volante puede reducir considerablemente la entrada de los iones cloruro. El humo de sílice disminuye grandemente la permeabilidad y la entrada de iones cloruro y también aumenta la resistividad eléctrica y, de esta forma, disminuye la reacción electroquímica de corrosión. El concreto conteniendo humo de sílice o metacaolinita se usa normalmente en revestimiento y losas de puentes y garajes. Estas estructuras son particularmente susceptibles a la corrosión por la entrada de iones cloruro.

Color del Concreto Los materiales cementantes suplementarios pueden alterar ligeramente el color del concreto endurecido. Los efectos del color se relacionan con el color y la cantidad del material empleado en el concreto. Muchos materiales cementantes suplementarios se parecen con el color del cemento portland y por lo tanto tienen poco efecto en el color del concreto. Algunos humos de sílice dan un color azulado o agrisado oscuro cuando usados en grandes cantidades. La escoria molida y la metacaolinita pueden dar un color blanqueado al concreto. La escoria molida puede fornecer inicialmente un color azulado o verdoso.

Carbonatación La carbonatación del concreto es un proceso por el cual el dióxido de carbono del aire penetra en el concreto y reac91


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 tacto con la humedad se fraguan y se endurecen. Los aparatos para manejo y almacenamiento de estos materiales son similares a aquéllos usados para el cemento. Modificaciones adicionales pueden ser necesarias cuando se usa humo de sílice, pues no tiene las mismas características de los otros materiales cementantes suplementarios y su abastecimiento puede ser en líquido. Estos materiales normalmente se mantienen en instalaciones de almacenamiento a granel o silos, a pesar de que ciertos materiales están disponibles en bolsas. Como estos materiales se parecen al cemento portland cuanto al color y a la finura, las instalaciones de almacenamiento se deben marcar claramente para evitar la posibilidad del uso indebido y de la contaminación con otros materiales en la planta de mezclado. Todas las válvulas y tuberías se deben marcar claramente y se deben sellar adecuadamente para evitar vaciamiento y contaminación. La ceniza volante, la escoria y las puzolanas naturales se deben pesar después del cemento portland o del cemento adicionado en la secuencia del mezclado para evitarse una sobredosis en caso de que las válvulas se obstruyan.

PROPORCIONAMIENTO DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO La cantidad óptima del material cementante suplementario usado con el cemento portland o con el cemento adicionado se determina a través de pruebas, para el costo relativo y disponibilidad de los materiales y para las propiedades especificadas del concreto. Se necesitan varias mezclas de ensayo para determinarse la cantidad óptima de puzolana o escoria. Estas mezclas deben cubrir una gama de combinaciones para establecerse la correlación entre resistencia y relación aguamaterial cementante. Estas mezclas se deben establecer de acuerdo con el ACI Standard 211.1 y 211.2, llevándose en consideración las densidades relativas de los materiales cementantes suplementarios. Éstas normalmente son diferentes de la densidad relativa del cemento portland. Los resultados de los ensayos van a ser una familia de curvas de resistencia para cada edad en la cual el concreto debe obedecer a ciertos requisitos especificados. La dosificación del material cementante suplementario normalmente se expresa como un porcentaje de todos los materiales cementantes en la mezcla de concreto. El uso de ceniza volante, escoria, humo de sílice, arcilla calcinada o esquisto calcinado como una adición al cemento portland o como sustituto parcial del cemento portland es una práctica común en los Estados Unidos y algunos países de Latinoamérica. Los cementos adicionados que ya poseen puzolana o escoria se diseñan para que se usen con o sin materiales cementantes suplementarios adicionales. Las mezclas de concreto con más de un material cementante suplementario también se usan. Por ejemplo, una mezcla de concreto puede contener cemento portland, ceniza volante y humo de sílice. Estas mezclas se llaman mezclas ternarias. Cuando la ceniza volante, la escoria, el humo de sílice o las puzolanas naturales se emplean en combinación con el cemento portland o el cemento adicionado, se debe probar la mezcla de concreto para demostrar si satisface a las propiedades del concreto necesarias en el proyecto.

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DISPONIBILIDAD

ACI Committee 211, Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete (Práctica Estándar para la Elección de las Proporciones de los Concretos Normal, Pesado y Masivo), ACI 211.1-91, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1991, 38 páginas.

Ni todos los materiales cementantes suplementarios están disponibles en todas las regiones. Consulte a los proveedores sobre los materiales disponibles.

ALMACENAMIENTO

ACI Committee 211, Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (Práctica Estándar para la Elección de las Proporciones de los Concretos Normal, Pesado y Masivo), ACI 211.2-98, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1998, 14 páginas.

En la mayoría de los casos, la humedad no afecta el desempeño físico de los materiales cementantes suplementarios. Sin embargo, se los debe mantener secos para evitar dificultades de manejo y descarga. La ceniza Clase C y el esquisto calcinado se deben mantener secos pues en con92


Capítulo 3 ◆ Ceniza Volante, Escoria, Humo de Sílice y Puzolanas Naturales ACI Committee 211, Guide for Selecting Proportions for High Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash (Guía para la Elección de las Proporciones del Concreto de Alta Resistencia con Cemento Portland y Ceniza Volante), ACI 211.4R-93, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1993, 13 páginas.

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93


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94


Capítulo 4

Agua de Mezcla para el Concreto Prácticamente cualquier agua natural que sea potable y no presente fuerte sabor u olor se la puede usar como agua de mezcla (de mezclado, de amasado) para el preparo del concreto (Fig. 4-1). Sin embargo, también se pueden emplear en concreto algunas aguas que no se consideran potables. La Tabla 4-1 muestra seis análisis típicos de abastecimiento (suministro) de agua de algunas ciudades y agua de mar. Estas aguas poseen composición similar al agua de abastecimiento doméstico para la mayoría de las ciudades con más de 20,000 personas en los EE.UU. y Canadá. El agua de cualquiera de estas fuentes es adecuada para el preparo de concreto. Una fuente de agua con análisis equivalente a cualquiera de las aguas en la tabla es probablemente satisfactoria para el uso en concreto (Fig. 4-2). La Tabla 4-2 presenta las normas que tratan específicamente de la calidad del agua para empleo en morteros y concretos. Se puede emplear el agua dudosa en concreto, pero se debe verificar su desempeño. Por ejemplo, se aconseja que los cubos de mortero (ASTM C 109 o AASHTO T 106) preparados con el agua dudosa tengan la resistencia a los 7 días igual a por lo menos 90% de la resistencia de los

Fig. 4-1. El agua que es buena para beber es buena para el concreto. (44181)

especimenes de referencia preparados con agua potable o agua destilada. Además, se debe garantizar a través de ensayos del tiempo de fraguado que las impurezas en el agua de amasado no van a disminuir o aumentar adversamente el tiempo de fraguado del cemento. Las normas

Tabla 4-1. Análisis Típicos del Agua de Abastecimiento de Las Ciudades y Agua de Mar, Partes Por Millón Análisis No. Sustancia química

1

3

4

5

6

Agua de mar*

Sílice (SiO2) Hierro (Fe) Calcio (Ca) Magnesio (Mg) Sodio (Na) Potasio (K) Bicarbonato (HCO3 ) Sulfato (SO4 ) Cloruro (Cl) Nitrato (NO3 ) Total de sólidos disueltos

2.4 0.1 5.8 1.4 1.7 0.7 14.0 9.7 2.0 0.5

2 0.0 0.0 15.3 5.5 16.1 0.0 35.8 59.9 3.0 0.0

6.5 0.0 29.5 7.6 2.3 1.6 122.0 5.3 1.4 1.6

9.4 0.2 96.0 27.0 183.0 18.0 334.0 121.0 280.0 0.2

22.0 0.1 3.0 2.4 215.0 9.8 549.0 11.0 22.0 0.5

3.0 0.0 1.3 0.3 1.4 0.2 4.1 2.6 1.0 0.0

— — 50 a 480 260 a 1410 2190 a 12,200 70 a 550 — 580 a 2810 3960 a 20,000 —

31.0

250.0

125.0

983.0

564.0

19.0

35,000

* Diferentes mares contienen diferentes cantidades de sales disueltas.

95


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 ASTM C 94 (AASHTO M 157) y AASHTO T 26 presentan criterios de aceptación para el agua que será usada en el concreto (Tablas 4-3 y 4-4). El exceso de impurezas en el agua de mezcla no sólo puede afectar el tiempo de fraguado y las resistencia del concreto, pero también puede causar eflorescencias, manchado, corrosión del refuerzo, instabilidad del volumen y reducción de la durabilidad. Por lo tanto, se pueden establecer ciertos límites opcionales para cloruros, sulfatos, álcalis y sólidos en el agua de mezcla o se pueden realizar ensayos adecuados para la determinación del efecto de las impurezas sobre varias propiedades. Algunas impurezas pueden tener un pequeño efecto sobre la resistencia y el tiempo de fraguado y aun afectar la durabilidad y otras propiedades.

Fig. 4-2. Análisis de agua en laboratorio, en este caso usando un espectrofotómetro de absorción atómica para detectar la concentración de los elementos. (44182)

Tabla 4-2. Normas de la Calidad del Agua para Empleo en Morteros y Concretos País

Norma

Nombre de la norma

Argentina

IRAM 1601

Agua para morteros y hormigones de cemento portland

Chile

NCh1498.Of1982

Hormigón - Agua de amasado – Requisitos

Colombia

NTC 3459

Concretos. Agua para la elaboración de concreto

EE.UU.

ASTM C 94

Standard specification for ready mixed concrete

Perú

NTP 339.088-1982

Hormigón (concreto). Agua para morteros y hormigones de cementos portland. Requisitos

México

NMX-C-122-82

Agua para concreto

Venezuela

CONVENIN 2385:2000

Concreto y mortero. Agua de mezcla. Requisitos

Tabla 4-3. Criterios de Aceptación para Abastecimiento de Aguas Dudosas (ASTM C 94 o AASHTO M 157) Resistencia a compresión, porcentaje mínima en relación al control, a los siete días Tiempo de fraguado, diferencia en relación al control, hr:min

Limites

Método de ensayo

90

C 109* o T 106

De 1:00 más temprano a 1:30 más tarde

C 191* o T 131

* La comparación debe estar basada en proporciones fijas, así como en el mismo volumen de agua de ensayo comparado con una mezcla de control preparada con agua de la ciudad o agua destilada.

Tabla 4-4. Límites Químicos para Aguas de Lavado Usadas con Agua de Mezcla (ASTM C 94 o AASHTO M 157) Sustancia química o tipo de construcción Cloruro, como Cl Concreto pretensado (presfuerzo, presforzado, precomprimido) o concreto para tablero de puentes Otros tipos de concreto reforzado (armado) en ambiente húmedo o conteniendo elementos de aluminio o metales distintos inseridos o cimbras permanentes de metal galvanizado Sulfato, como SO4 Álcalis, como (Na2O + 0.658 K2O) Total de sólidos

Concentración máxima en ppm*

Método de ensayo** ASTM D 512

500†

1,000† 3,000 600 50,000

ASTM D 516 AASHTO T 26

* El agua de lavado usada como agua para el preparo del concreto puede exceder a los límites de concentraciones de cloruros y sulfatos presentados si se puede mostrar que las concentraciones totales calculadas en el agua de mezcla, incluyendo agua de mezcla en los agregados y otras fuentes, no excedan a los límites establecidos. ** Se puede usar otros métodos de ensayos que han enseñado resultados semejantes. † Para las condiciones que permitan el uso de aditivos aceleradores a base de CaCl2, los compradores pueden ignorar los límites de cloruros.

96


Capítulo 4 ◆ Agua de Mezcla para el Concreto Se puede utilizar satisfactoriamente el agua para el preparo del concreto con menos de 2000 partes por millón (ppm) de sólidos disueltos. El agua que contiene más de 2000 ppm de sólidos disueltos se debe analizar para verificar su efecto sobre la resistencia y el tiempo de fraguado. Más información sobre el efecto de las impurezas del agua de mezcla se encuentra en Steinour (1960) y Abrams (1924), donde se discuten más de 100 tipos diferentes de compuestos e iones. Sigue el resumen de los efectos de ciertas impurezas del agua de mezcla sobre la calidad del concreto normal.

sulfato de calcio. Ambos se pueden tolerar en grandes cantidades. La concentración de 20,000 ppm de cloruro de sodio es tolerable en el concreto que se mantendrá seco durante su vida y tiene bajo potencial de corrosión. El agua empleada en el concreto pretensado (presfuerzo, presforzado, pretensado, precomprimido) o en el concreto que vaya a tener elementos de aluminio embutidos, no debe contener cantidades nocivas de iones cloruro. La contribución de los cloruros de los otros ingredientes también se debe considerar. Debe evitarse el uso de aditivos a base de cloruro de calcio en el concreto armado (reforzado). El código de construcción ACI 318 limita el contenido de iones solubles en agua en el concreto armado en los siguientes porcentajes en peso de cemento:

CARBONATO ALCALINO Y BICARBONATO Los carbonatos y los bicarbonatos de sodio y potasio tienen diferentes efectos sobre el tiempo de fraguado de diferentes cementos. El carbonato de sodio puede causar fraguado rápido, el bicarbonato puede tanto acelerar como retardar el fraguado. Estas sales, cuando se encuentran en grandes concentraciones, pueden reducir la resistencia del concreto. Cuando la suma de las sales disueltas excede a1000 ppm, se hacen necesarios ensayos para el estudio de su influencia sobre la resistencia y el tiempo de fraguado. También se debe considerar la posibilidad de la ocurrencia de reacciones álcali-agregado fuertes.

Concreto pretensado

0.06%

Concreto reforzado expuesto a cloruros durante su vida

0.15%

Concreto reforzado que va a ser mantenido seco y protegido de la humedad durante su vida

1.00%

Otras construcciones en concreto reforzado

0.30%

El ACI 318 no limita la cantidad de cloruros en el concreto simple, o sea el concreto que no contiene acero. Más información sobre los límites y ensayos se puede encontrar en el ACI 222, Corrosión de Metales en Concreto (Corrosion of Metals in Concrete). El contenido de cloruros solubles en ácido y cloruros solubles en agua se puede determinar con el uso de ASTM C 1152 y C 1218, NTC 4049 y NTP 339.076.

CLORURO El efecto adverso de los iones cloruro sobre la corrosión de la armadura es la principal razón de preocupación a respecto del contenido de cloruros en el agua usada para el preparo del concreto. Los iones cloruro atacan el filme (capa) de óxido protector que se forma sobre el acero resultante de la alta alcalinidad (pH mayor que 12.5) presente en el concreto. El nivel de iones cloruros solubles en ácido, en el cual la corrosión empieza en el concreto, es de aproximadamente del 0.2% al 0.4% en peso de cemento (0.15% al 0.3% soluble en agua). Del total del contenido de iones cloruro en el concreto, sólo aproximadamente del 50% al 85% es soluble en agua. El resto combina químicamente en las reacciones del cemento (Whiting 1997, Whiting, Taylor y Nagi 2002 y Taylor, Whiting y Nagi 2000). Los cloruros se introducen en el concreto con los ingredientes de la mezcla – aditivos, agregados, materiales cementantes y agua de mezcla – o a través de la exposición a las sales anticongelantes, agua de mar o aire cargado de sales en ambientes marinos. Es difícil el establecimiento de límites aceptables del contenido de cloruros para cualquiera de los ingredientes, tal como el agua, pues hay muchas fuentes de iones de cloruro en el concreto. Un límite aceptable depende principalmente del tipo de estructura y del medio al cual esté expuesta durante su vida útil (vida de servicio). Una alta concentración de sólidos disueltos en el agua natural se debe al alto contenido de cloruro de sodio o

SULFATO La preocupación a respecto del alto contenido de sulfato en el agua usada para el preparo del concreto se debe a las reacciones expansivas potenciales y a la deterioración por el ataque de sulfatos, principalmente en áreas donde el concreto será expuesto a suelos o aguas con alto contenido de sulfatos. No obstante, se han usado satisfactoriamente aguas de mezcla conteniendo 10,000 ppm de sulfato de calcio, se debe considerar el límite de la Tabla 4-4, a menos que se tomen cautelas especiales.

OTRAS SALES COMUNES Los carbonatos de calcio y magnesio no son muy solubles en agua y raramente se encuentran en concentraciones suficientes para afectar la resistencia del concreto. Los bicarbonatos de calcio y magnesio están presentes en algunas aguas municipales. No se consideran perjudiciales las concentraciones menores que 400 ppm. El sulfato de magnesio y el cloruro de magnesio pueden estar presentes en altas concentraciones sin que causen daños sobre la resistencia. Se han obtenido buenas resistencias con el uso de agua con concentraciones de hasta 40,000 ppm de cloruro de magnesio. Las concentra97


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 la reactividad álcali-agregado. Por lo tanto, no se debe usar agua de mar en la mezcla del concreto donde estén presentes agregados potencialmente reactivos. El agua de mar empleada en el concreto también tiende a causar eflorescencias y manchas en la superficie del concreto expuesta al aire y al agua (Steinour 1960). Los agregados procedentes del dragado del mar se analizan en el Capítulo 5.

ciones de sulfato de magnesio deben ser menores que 25,000 ppm.

SALES DE HIERRO Las aguas subterráneas naturales raramente contienen más de 20 a 30 ppm de hierro, sin embargo las aguas ácidas de mina pueden contener grandes cantidades de hierro. Las sales de hierro en concentraciones de hasta 40,000 ppm normalmente no afectan las resistencias del concreto.

AGUAS ÁCIDAS La aceptación de aguas ácidas en la mezcla del concreto se debe basar en la concentración de los ácidos en el agua. Ocasionalmente, la aceptación se basa en el pH, que es una medida de la concentración de los iones hidrógenos en una escala logarítmica. El valor de pH es un índice de intensidad y no es la mejor medida de la reactividad potencial de un ácido o de una base. El pH del agua neutra es 7.0; valores inferiores a 7.0 indican acidez y valores superiores a 7.0 indican alcalinidad (una base). Normalmente el agua de amasado conteniendo ácido clorhídrico, ácido sulfúrico y otros ácidos inorgánicos comunes en concentraciones de hasta 10,000 ppm no tiene efecto perjudicial sobre la resistencia. Las aguas ácidas con pH menor que 3.0 pueden crear problemas de manoseo y, si posible, se deben evitar. Los ácidos orgánicos, tal como el ácido tánico, en altas concentraciones pueden tener un fuerte efecto sobre la resistencia (Fig. 4-3).

DIVERSAS SALES INORGÁNICAS Las sales de manganeso, estaño, cinc, cobre y plomo en el agua de mezclado pueden causar una significante reducción de la resistencia y grandes variaciones del tiempo de fraguado. De éstas, las sales de cinc, cobre y plomo son las más activas. Las sales yodato de sodio, fosfato de sodio, arseniato de sodio y borato de sodio son especialmente activas como retardadores (retardantes). Todas ellas pueden retardar muchísimo tanto el tiempo de fraguado como también el desarrollo de la resistencia, siempre que estén en concentraciones de pocas décimas de porcentuales del peso del cemento. Normalmente, se pueden tolerar concentraciones de hasta 500 ppm de estas sales en el agua usada para el preparo del concreto. El sulfuro de sodio es otra sal que puede ser perjudicial al concreto, incluso requiere análisis en una concentración de sólo 100 ppm. Más informaciones sobre el efecto de otras sales se encuentran en las referencias.

Resistencia, porcentaje en relación al control

100

AGUA DE MAR El agua de mar, con una concentración de sales disueltas de hasta 35,000 ppm, normalmente es adecuada para el uso como agua de mezclado del concreto que no contenga acero. Aproximadamente 78% de la sal es cloruro de sodio y 15% es cloruro y sulfato de magnesio. Aunque la resistencia temprana del concreto preparado con agua de mar pueda ser más elevada que la resistencia del concreto normal, la resistencia a edades mayores (después de 28 días) puede ser menor. Esta reducción de la resistencia se puede compensar con la reducción de la relación aguacemento. El agua de mar no es apropiada para la preparación de concreto reforzado con acero y no se debe usar en concreto pretensado, debido al riesgo de la corrosión de la armadura, principalmente en ambientes cálidos y húmedos. Si se usa agua de mar para el preparo de concreto sin refuerzo (sin acero) en aplicaciones marítimas, se deben emplear cementos de moderada resistencia a los sulfatos y baja relación agua-cemento. El sodio y el potasio de las sales presentes en el agua de mar, usada en el preparo del concreto, pueden agravar

Ensayos de cilindros de concreto a los 28 días 75 mm x 150 mm (3 pulg. x 6 pulg.)

80

60

40

20

0

0

1.0 2.0 3.0 4.0 Ácido tánico, porcentaje del agua de mezcla

5.0

Fig. 4-3. Efecto del ácido tánico sobre la resistencia (Abrams 1920)

98


Capítulo 4 ◆ Agua de Mezcla para el Concreto es verificar cualquier agua de desecho que contenga unos pocos cientos de partes por millón de sólidos poco comunes.

AGUAS ALCALINAS Las aguas con concentraciones de hidróxido de sodio del 0.5% en peso de cemento no afectan considerablemente la resistencia del concreto desde que no se induzca el fraguado rápido. Sin embargo, concentraciones más elevadas pueden reducir la resistencia del concreto. El hidróxido de calcio en concentraciones de hasta 1.2% en peso de cemento tiene poco efecto sobre la resistencia del concreto con algunos tipos de cemento, pero la misma concentración puede reducir significantemente la resistencia a los 28 días de concretos con otros tipos de cemento. Se debe considerar la posibilidad del aumento de la reactividad álcali-agregado.

AGUAS CARGANDO AGUAS SANITARIAS RESIDUALES (AGUAS NEGRAS) Un agua residual típica puede contener aproximadamente 400 ppm de materia orgánica. Después que el agua residual se diluye en un buen sistema de tratamiento, la concentración se reduce para aproximadamente 20 ppm o menos. Esta concentración es muy baja para afectar considerablemente la resistencia del concreto.

IMPUREZAS ORGÁNICAS AGUAS DE ENJUAGUE

El efecto de substancias orgánicas sobre el tiempo de fraguado del cemento portland y sobre la resistencia última del concreto es un problema muy complejo. Tales substancias, como marga de superficie, se pueden encontrar en aguas naturales. Las aguas muy coloridas, con un olor apreciable o con algas verdes o marrones visibles se deben considerar sospechosas y por lo tanto hay que analizarlas. Las impurezas orgánicas provienen normalmente de humus conteniendo ácido tánico (Fig. 4-3).

La agencia de protección ambiental y las agencias estatales de los EE.UU. prohíben que se descarguen en las vías fluviales del país cualquier agua de enjuague o lavado no tratada, que se ha usado en la recuperación de arena y grava de concretos retornados o en la operación de lavaje de las mezcladoras. El agua de enjuague de lavado se utiliza normalmente en el concreto premezclado (Fig. 4-4) (Yelton 1999).El agua de enjuague debe atender a los límites de las Tablas 4-3 y 4-4 y a las especificaciones de las normas de la Tabla 4-2.

AZÚCAR Un pequeña cantidad de sacarosa, del 0.03% al 0.15% en peso de cemento, normalmente es suficiente para retardar el fraguado del cemento. El límite superior de este rango varía de acuerdo con los diferentes cementos. La resistencia a los 7 días se puede reducir mientras que la resistencia a los 28 días se puede aumentar. El azúcar en cantidades iguales o superiores al 0.25% en peso de cemento puede causar fraguado rápido y grande reducción de la resistencia a los 28 días. Cada tipo de azúcar influye en el tiempo de fraguado y en la resistencia de manera diferente. El azúcar en el agua de mezcla en concentraciones inferiores a 500 ppm, normalmente no presenta efecto nocivo sobre la resistencia, pero si la concentración supera este valor, se deben hacer ensayos de tiempo de fraguado y resistencia.

Fig. 4-4. Los sistemas de recuperación permiten el uso inmediato del agua de lavado en el mezcla. (69901)

AGUAS DE DESECHOS INDUSTRIALES

SEDIMENTOS O PARTÍCULAS EN SUSPENCIÓN

La mayoría de las aguas que cargan desechos industriales tienen menos de 4000 ppm de sólidos totales. Cuando se usa esta agua para preparar el concreto, la reducción de la resistencia a compresión no supera 10%-15%. Las aguas de desechos industriales tales como curtidurías, fábricas de pintura, plantas de coque, plantas químicas y de galvanización pueden contener impurezas peligrosas. Lo mejor

Se pueden tolerar aproximadamente 2000 ppm de arcilla en suspensión o partículas finas de rocas en el agua de amasado. Cantidades más elevadas, posiblemente, no afecten la resistencia pero pueden influenciar otras propiedades de algunas mezclas de concreto. Antes de utilizarse un agua embarrada o lodosa, se la debe pasar a 99


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

través de estanques de sedimentación o se la debe clarificar por cualquier otro medio para la disminución de la cantidad de sedimentos o arcillas introducidos en la mezcla a través del agua de mezcla. Se pueden tolerar hasta 50,000 ppm cuando los finos del cemento se retornan al concreto por el uso de agua de lavado reciclada.

ACI Committee 201, Guide to Durable Concrete (Guía del Concreto Durable), ACI 201.2R-92, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1992, 41 páginas.

ACEITES

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Muchos tipos de aceites están ocasionalmente presentes en el agua. El aceite mineral (petróleo) sin mezcla de aceites vegetales o animales tiene, probablemente, menos efecto sobre el desarrollo de la resistencia que otros aceites. Sin embargo, el aceite mineral en concentraciones superiores al 2.5% en peso de cemento puede reducir la resistencia en más del 20%.

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ALGAS

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Las aguas que contienen algas no son adecuadas para el uso en concreto, pues éstas pueden causar una gran reducción de la resistencia, sea por su influencia sobre la hidratación del cemento, sea por provocar la inclusión de grandes cantidades de aire en el concreto. Las algas también pueden estar presentes en los agregados, reduciendo la adherencia entre el agregado y la pasta. Se recomienda 1000 ppm como contenido máximo de algas.

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INTERACCIÓN CON LOS ADITIVOS Al evaluarse el efecto de las aguas sobre las propiedades, es importante que se analice el agua con los aditivos que serán usados en el concreto. Algunos compuestos en el agua pueden influenciar el desempeño y la eficiencia de ciertos aditivos. Por ejemplo, algunas veces se necesita aumentar la cantidad de aditivo inclusor (incorporador) de aire al usarse el aditivo con agua dura conteniendo altas concentraciones de ciertos compuestos o minerales.

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Capítulo 4 ◆ Agua de Mezcla para el Concreto Whiting, David A., Origins of Chloride Limits for Reinforced Concrete (Origen de los Límites de Cloruro para el Concreto Reforzado), R&D Serial No. 2153, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/ SN2153.pdf, 1997, 18 páginas. Whiting, David A.; Taylor, Peter C.; y Nagi, Mohamad A., Chloride Limits in Reinforced Concrete (Límites de Cloruro en el Concreto Reforzado), R&D Serial No. 2438, Portland Cement Association, 2002, 96 páginas. Yelton, Rick, “Answering Five Common Questions about Reclaimers (Respuestas para Las Cinco Preguntas más Comunes sobre Saneamiento),” The Concrete Producer, Addison, Illinois, Septiembre, 1999, páginas 17 a 19.

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102


Capítulo 5

Agregados para Concreto La importancia del uso del tipo y de la calidad correctos del agregado (árido) no se puede subestimar. Los agregados fino y grueso ocupan cerca del 60% al 75% del volumen del concreto (70% a 85% de la masa) e influyen fuertemente en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido, en las proporciones de la mezcla y en la economía del concreto. Los agregados finos (Fig. 5-1) generalmente consisten en arena natural o piedra triturada (partida,

machacada, pedrejón) con la mayoría de sus partículas menores que 5 mm (0.2 pulg.). Los agregados gruesos (Fig. 5-2) consisten en una o en la combinación de gravas o piedras trituradas con partículas predominantemente mayores que 5 mm (0.2 pulg.) y generalmente entre 9.5 mm y 37.5 mm ( 3⁄8 y 11⁄2 pulg.) Algunos depósitos naturales de agregado, llamados de gravas de mina, consisten en grava y arena que se pueden usar inmediatamente en el concreto, después de un procesamiento mínimo. La grava y la arena naturales normalmente se excavan o dragan de la mina, del río, del lago o del lecho marino. La piedra triturada se produce triturando la roca de cantera, roca redondeada, guijarros o gravas grandes. La escoria de alto horno enfriada al aire y triturada también se usa como agregados fino y grueso. Los agregados frecuentemente se lavan y se gradúan en la mina o en la planta. Se puede esperar alguna variación en el tipo, calidad, limpieza, granulometría (gradación), contenido de humedad y otras propiedades. Cerca de la mitad de los agregados gruesos en el concreto de cemento portland en Norteamérica es grava, la mayoría del resto es piedra triturada. Los agregados naturales para concreto son una mezcla de rocas y minerales (véase Tabla 5-1). Mineral es una sustancia sólida natural con una estructura interna ordenada y una composición química que varía dentro de límites estrechos. Las rocas, que se clasifican según su origen en ígneas, sedimentarias o metamórficas, generalmente se componen con varios minerales. Por ejemplo, el granito contiene cuarzo, feldespato, mica y otros pocos minerales, la mayoría de las calizas consiste en calcita, dolomita y pequeñas cantidades de cuarzo, feldespato y arcilla. El intemperismo y la erosión de las rocas producen partículas de piedra, grava, arena, limo y arcilla. El concreto reciclado o el concreto de desperdicio triturado es una fuente viable de agregados y una realidad económica, especialmente donde buenos agregados son escasos. Se pueden utilizar equipos convencionales de trituración de piedras y se han desarrollado nuevos equipos para reducir el ruido y el polvo.

Fig. 5-1. Primer plano de agregado fino (arena). (69792)

Fig. 5-2. Agregado grueso. Grava redondeada (izquierda) y piedra triturada (derecha). (69791) 103


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Los agregados deben cumplir con algunas normas para que su uso en ingeniería se optimice: deben ser partículas limpias, duras, resistentes, durables y libres de productos químicos absorbidos, revestimiento de arcilla u otros materiales finos en cantidades que puedan afectar la hidratación y la adherencia de la pasta de cemento. Las partículas de agregados friables (disgregables o desmenuzables) o capaces de rajarse son indeseables. Se deben evitar agregados que contienen cantidades apreciables de esquisto u otras rocas esquistosas, de materiales blandos y porosos. Se deben evitar, en especial, algunos tipos de cherts, pues tienen poca resistencia al intemperismo y causan defectos superficiales tales como las erupciones. Solamente la identificación de los constituyentes de un agregado no puede fornecer una base para el pronóstico del agregado en servicio. La inspección visual normalmente revela debilidades en los agregados gruesos. Los registros de servicio son inestimables en la evaluación de los agregados. En la ausencia de registros de desempeño, se deben ensayar los agregados antes que se los use en el concreto. Los agregados más frecuentemente utilizados – arena, grava y escoria de alto horno enfriada al aire – producen concretos frescos de peso normal con densidad a granel (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico) de 2200 a 2400 kg/m3 (140 a 150 lb/pies3). Agregados de esquisto, arcilla, pizarra y escoria expandidos (Fig. 5-3) se usan para producir estructuras de concreto ligero (liviano) con la densidad del concreto fresco variando de cerca de 1350 a 1850 kg/m3 (90 a 120 lb/pies3). Otros materiales ligeros tales como la piedra pomez (pumita), cagafierro, perlita, vermiculita y diatomita se emplean para producir concreto ligero aislante con densidades que varían de 250 a 1450 kg/m3 (15 a 90 lb/pies3). Materiales pesados, tales como barita, limonita, magnetita, ilmenita, hematina y pelotas de hierro se usan para producir concreto de densidad elevada (concreto de gran peso) y blindaje para la radiación (ASTM C 637 y C 638). Solamente los agregados de peso normal van a ser presentados en este capítulo. Consulte el Capítulo 18 para los tipos especiales de agregados y concretos. Los agregados de peso normal deben atender a los requisitos de la ASTM C 33 o AASHTO M 6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 84 y UNIT 102. Estas especificaciones limitan las cantidades permisibles de sustancias deletéreas y proveen requisitos para las características de los agregados. Se determina el cumplimiento con estos requisitos a través de varias pruebas normalizadas que se van a citar en las próximas secciones y tablas. Sin embargo, el facto que el agregado cumple con las normas ASTM C 33 o AASHTO M 6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 84, UNIT 102 necesariamente no garantiza que el concreto estará libre de defectos.

Tabla 5-1. Rocas y Constituyentes Minerales en los Agregados Minerales

Rocas ígneas

Rocas metamórficas

Sílice Cuarzo Ópalo Calcedonia Tridimita Cristobalita Silicatos Feldespato Ferromagnesiano Homblenda Augita Arcilla Ilitas Caolines Cloritas Montmorinollita Mica Ceolita Carbonato Calcita Dolomita Sulfato Yeso Anhidrita Sulfuro de hierro Pirita Marcasita Pirolita Óxido de hierro Magnetita Hematita Goetita Ilmenita Limonita

Granito Sienita Diorita Gabro Periodita Pegmatita Vidrio volcánico Obsidiana Piedra pómez (pumita) Tufa (toba volcánica) Cagafierro Perlita Vidrio volcánico Felsita Basalto Rocas Sedimentarias Conglomerado Arenisca Cuarcita Grauvaca Subgrauvaca (molasa) Arcosa Piedra arcillosa, limonita, argilita y esquisto Carbonatos Caliza Dolomita Marga Greda (creta) Chert

Mármol Metacuarcita Pizarra Filita Esquisto Anfibolita Hornfels (roca córnea) Gneis Serpentinita

Para una breve descripción, véanse las descripciones de las rocas en la ASTM C 294, IRAM 1517, NMX-C-305 y UNIT-NM 66.

Fig. 5-3. Agregado ligero. Arcilla expandida (izquierda) y esquisto expandido (derecha). (69793)

104


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto La cantidad deseable de aire, agua, cemento y agregado fino (o sea el mortero) debe ser cerca del 50% al 65% del volumen absoluto (45% a 60% de la masa) del concreto para que se tenga una consolidación adecuada. Los agregados redondeados, como las gravas, requieren cantidades un poco menores, mientras que agregados triturados requieren cantidades un poco más elevadas. El contenido

de agregado fino es normalmente del 35% al 45% de la masa o volumen del contenido total de agregado.

CARACTERÍSTICAS DE LOS AGREGADOS Las características más importantes de los agregados para concreto se presentan en la Tabla 5-2 y la mayoría se discute en la próxima sección:

Tabla 5-2. Características y Ensayos de los Agregados Característica Resistencia a abrasión y degradación

Importancia Requisito o característica reportada Índice de calidad del agregado: resistencia Porcentaje máximo de pérdida de masa. desgaste de pisos y pavimentos Profundidad de desgaste y tiempo * ASTM C 131 (AASHTO T 96), COVENIN 0266-77, IRAM 1532, NCh1369.Of1978, NMX-C-196, NTP 400.019, UNIT-NM 51 ASTM C 535, COVENIN 0267-78, IRAM 1532, NCh1369.Of1978, NMX-C-196, NTP 400.020, UNIT-NM 51 ASTM C 779 Resistencia a congelación-deshielo Descascaramiento superficial, aspereza, Número máximo de ciclos o período de pérdida de sección y estética inmunidad a congelación, factor de durabilidad. * ASTM C 666 (AASHTO T 161), COVENIN 1601, NCh2185, NMX-C-205 ASTM C 682 AASHTO T 103 Resistencia a desintegración por sulfatos Sanidad contra el intemperismo Pérdida de masa, partículas que muestren fallas * ASTM C 88 (AASHTO T 104), COVENIN 0271, IRAM 1525, NCh1328, NMX-C-075-1997- ONNCCE, NTC 126, NTP 400.016 Forma y textura superficial de las partículas Trabajabilidad del concreto fresco Porcentaje máximo de partículas planas y alongadas * ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54 ASTM D 3398, COVENIN 0264. IRAM 1681, IRAM 1687, UNIT 1029 Granulometría Trabajabilidad del concreto fresco y Porcentajes mínimo y máximo que pasan economía por los tamices estándar * ASTM C 117 (AASHTO T 11), IRAM 1540, NMX-C-084, NCh1223, NTC 78, NTE 0697, NTP 400.018, UNIT-NM 46 ASTM C 136 (AASHTO T 27), COVENIN 0255, IRAM 1505, IRAM 1627, NCh165, NMX-C-077, NTC 77, NTE 0696, NTP 400.012, UNIT 48 Degradación del agregado fino Índice de la calidad del agregado: Cambio de la granulometría resistencia a degradación durante el mezclado * ASTM C 1137 Contenido de vacíos no compactado del Trabajabilidad del concreto fresco Contenido de vacíos no compactado del agregado fino agregado fino y gravedad específica * ASTM C 1252 (AASHTO T 304) Densidad suelta (peso volumétrico, Cálculos del diseño de la mezcla, Peso compactado y peso suelto densidad a granel, masa unitaria) clasificación * ASTM C 29 (AASHTO T 19), COVENIN 0274, COVENIN 0263, IRAM 1548 , NMX-C-073, NTC 92, NTP 400.017, UNIT-NM 45 Densidad relativa (gravedad específica) Cálculos del diseño de la mezcla — * ASTM C 127 (AASHTO T 85), COVENIN 0269, IRAM 1533, NMX-C-164, NCh1117, NTC 176, NTP 400.021, UNIT-NM 30, UNIT-NM | 53 ASTM C 128 (AASHTO T84), COVENIN 0268, IRAM 1520, NCh1239, NMX-C-165, NTC 237, NTP 400.022, UNIT-NM 64, UNIT-NM 52 Absorción y humedad superficial Control de la calidad del concreto (relación — agua-cemento) * ASTM C 70, COVENIN 0272 ASTM C 127 (AASHTO T 85), COVENIN 0269, IRAM 1533, NMX-C-164, NCh1117, NTC 176, NTP 400.021, UNIT-NM 30, UNIT-NM | 53 ASTM C 128 (AASHTO T84), COVENIN 0268, IRAM 1520, NCh1239, NMX-C-165, NTC 237, NTP 400.022, UNIT-NM 64, UNIT-NM 52 ASTM C 566 (AASHTO T 255), COVENIN 1375, NMX-C-166, NTC 1776, NTP 339.185

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 5-2. Características y Ensayos de los Agregados (Continuación) Característica Resistencia a compresión y a la flexión

Importancia Requisito o característica reportada Aceptación del agregado fino que no haya La resistencia que exceda 95% de la pasado en los otros ensayos resistencia lograda con arena purificada * ASTM C 39 (AASHTO T 22), COVENIN 0338, IRAM 1546, NCh1037, NMX-C-083-1997-ONNCCE, NTC 673, NTE 1573, NTP 339.034, UNIT-NM 101 ASTM C 78 (AASHTO T 97), COVENIN 0342, IRAM 1547, NCh1038, NMX-C-191, NTC 2871, NTP 339.078, UNIT-NM 55 Definiciones de los constituyentes Entendimiento y comunicación claros — * ASTM C 125, NTC 385, NTE 0694:83, NTP 400.011, UNIT-NM 2 ASTM C 294, IRAM 1517, NMX-C-305, UNIT-NM 66 Constituyentes del agregado Determinar la cantidad de material Porcentaje máximo permitido de los deletéreo y orgánico constituyentes individuales * ASTM C 40 (AASHTO T 21), COVENIN 0256, NCh166, NMX-C-088-1997-ONNCCE, NTC 127, NTP 400.024, UNIT-NM 49, ASTM C 87 (AASHTO T 71), COVENIN 0275, IRAM 1647, NMX-C-07, NTC 579, NTP 400.013, ASTM C 117 (AASHTO T 11), IRAM 1540, NMX-C-084, NCh1223, NTC 78, NTE 0697, NTP 400.018, UNIT-NM 46 ASTM C 123 (AASHTO T 113), COVENIN 0260, NMX-C-072-1997-ONNCCE, NTC 130, NTE 0699, NTP 400.023, UNIT-NM 31 ASTM C 142 (AASHTO T 112), COVENIN 0257, IRAM 1647, NMX-C-071, NCh1327, NTC 589, NTE 0698, NTP 400.015, UNIT-NM 44 ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54 Resistencia a la reactividad con los álcalis Sanidad contra cambios de volumen Cambio máximo longitudinal, consty cambio de volumen tuyentes, cantidad de sílice y alcalinidad. * ASTM C 227 , COVENIN 0276, IRAM 1637, NMX-C-180, NTC 3828, NTP 334.113, NTP 334.067 ASTM C 289, NTC 175, NTP 334.099 ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54 ASTM C 342, NMX-C-282 ASTM C 586, COVENIN 1303, ASTM C 1260 (AASHTO T 303), IRAM 1674, NMX-C-298, NTP 334.110, UNIT 1038 ASTM C 1293, IRAM 1700 *El ACI 221R-96 presenta métodos y propiedades adicionales del concreto que se influencian por las características de los agregados.

Granulometría (Gradación) La granulometría es la distribución del tamaño de las partículas de un agregado, que se determina a través del análisis de los tamices (cedazos, cribas) (ASTM C 136, AASHTO T 27, COVENIN 0255, IRAM 1505, NCh165, NMX-C-077, NTC 77, NTE 0696, NTP 400.012 y UNIT 48). La variación del tamaño de partículas se enseña en la Figura 5-4. El tamaño de la partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre con aberturas cuadradas. Los siete tamices normalizados para el agregado fino tienen aberturas que varían de 150 µm a 9.5 mm (Tamiz No.100 a 3⁄8 pulg.) (ASTM C 33, AASHTO M6/M80, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C111, NTC 174, NTP 400.037) de 0.160 mm a 10 mm (NCh163) y Venezuela especifica 8 tamices, que varían de 75 µm a 9.51 mm (COVENIN 277). Mientras que el agregado grueso se ensaya con 13 tamices estándar, con aberturas que varían de 1.18 mm a 100 mm (0.046 pulg. a 4 pulg.) (ASTM C 33, AASHTO M6/M80, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037). En Argentina se usan tamices cuyas aberturas varían de 4.75 mm a 63.0 mm (IRAM 1627), en Chile las aberturas varían de 1.25 mm a 80 mm (NCh 163) y en Venezuela de 595 µm a 75 mm (COVENIN 277). Las tolerancias para las aberturas de la malla de los tamices se encuentran en ASTM E 11 (AASHTO M 92), IRAM 1501, NCh1022, NCh1024 y UNIT-ISO 565).

Fig. 5-4. Varios tamaños de partículas que se encuentran en los agregados para uso en concreto. (8985)

Los números de tamaño (tamaño de granulometría) de los agregados gruesos se aplican a las cantidades de agregado (en masa), en porcentaje que pasa a través de un conjunto de tamices (Fig. 5-5). En la construcción de autopistas, la ASTM D 448 (AASHTO M 43) lista los mismos 13 números de tamaño de la ASTM C 33 (AASHTO M 6/M 80), más seis números adicionales de agregados gruesos. El agregado fino o la arena tiene solamente un rango de tamaño de partículas para la construcción en general y para la construcción de carreteras. Algunos países, tales como Argentina, Chile y México no usan números para tratar de tamaños específicos de agregados, 106


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto Hay muchas razones para que se especifiquen los límites granulométricos y el tamaño máximo nominal de los agregados, pues afectan las proporciones relativas de los agregados, bien como la demanda de agua y de cemento, trabajabilidad, bombeabilidad, economía, porosidad, contracción (retracción) y durabilidad del concreto. Las variaciones en la granulometría pueden afectar seriamente la uniformidad del concreto de una amasada a otra. Las arenas muy finas son normalmente antieconómicas, mientras que arenas y gravas gruesas pueden producir mezclas sin trabajabilidad. En general, los agregados que no tienen una gran deficiencia o exceso de cualquier tamaño y presentan una curva granulométrica suave, producirán los resultados más satisfactorios. El efecto de la combinación de varios tamaños sobre el volumen total de vacíos entre los agregados se ilustra por un simple método enseñado en la Figura 5-7. La probeta de la izquierda se llena con partículas grandes de agregados con tamaño y forma uniformes. La probeta del medio se llena con el mismo volumen de partículas pequeñas de

Fig. 5-5. Realización del ensayo de análisis granulométrico del agregado grueso en el laboratorio. (30175-A)

pero usan los tamaños nominales o grados (tamaños límites). La granulometría y los límites granulométricos se expresan generalmente en porcentaje de material que pasa a través de cada tamiz. La Figura 5-6 enseña estos límites para el agregado fino y un tamaño de agregado grueso. Fig. 5-7. El nivel del líquido en las probetas, que representan a los vacíos, es constante para volúmenes absolutos iguales de agregados con tamaños uniformes, aunque diferentes. Cuando se combinan tamaños diferentes, el contenido de vacíos disminuye. La ilustración no está en escala.

100

Fin o

20

Agr Tam egado año gru No. eso 57

Are

na

gru

esa

do

Fin

a 40

Ag reg a

60

Are na

Porcentaje pasante, en masa

80

Opcional, véase texto 0

m m m µm µm µm m m 0 0 8m 6 0 00 0 0 6 5 15 o. 1 30 o. 5 60 o. 3 1.1 o. 1 2.3 o. 8 4.7 o. 4 N N N N N N Tamaños de los tamices

m m .5 in. 2 1 1 /2

m m . m g. m ulg 25 pul 7.5 1 /2 p 3 1 1

Fig. 5-6. Las curvas indican los límites especificados en la AASHTO M6, IRAM 1512, Nch 163, NMX-C-111, NTC 174 para el agregado fino y para un tamaño granulométrico de agregado grueso comúnmente utilizado.

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agregado con tamaño y forma uniformes y la probeta de la derecha se llena con partículas de ambos tamaños. Debajo de cada probeta con agregado se enseña una probeta graduada con la cantidad de agua necesaria para llenar los vacíos en la probeta con agregado. Nótese que cuando la probeta se llena con un solo tamaño de partículas, un mismo volumen de agregado contiene una cantidad de vacíos constante, independientemente del tamaño del agregado. Cuando se combinan dos tamaños de agregados, la cantidad de vacíos disminuye. Si se repitiera esta operación con la inclusión adicional de varios tamaños, ocurriría una reducción aún mayor en la cantidad de vacíos. La demanda de pasta de cemento para el concreto se relaciona con la cantidad de vacíos de la combinación de agregados.


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 mezclas más pobres, o cuando se usan agregados gruesos de pequeñas dimensiones, es conveniente, para que se logre una buena trabajabilidad, que la granulometría se aproxime al porcentaje máximo recomendado que pasa por cada tamiz. En general, si se mantiene constante la relación agua-cemento y se elige correctamente la relación agregado fino-agregado grueso, se puede usar un amplio rango de granulometrías, sin efectos considerables sobre la resistencia. Sin embargo, algunas veces, se logrará la mayor economía con el ajuste de la mezcla de concreto para que se adapte a la granulometría de los agregados locales. La granulometría de los agregados finos de acuerdo con las normas ASTM C 33 (AASHTO M6), COVENIN 277, IRAM 1512, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 84, es generalmente satisfactoria para la mayoría de los concretos. Los límites de estas normas, con respecto a la granulometría se enseñan en la Tabla 5-3.

Durante los primeros años de la tecnología del concreto, se asumía, algunas veces, que el menor porcentaje de vacíos (mayor densidad del agregado) era más adecuado para el concreto. En la misma época, se crearon límites para las cantidades y tamaños de las partículas más pequeñas. Ahora se sabe que, incluso en estas bases restrictas, este no es el mejor enfoque para el diseñador de la mezcla. Sin embargo, la producción de un concreto satisfactorio y económico requiere agregados con baja cantidad de vacíos, pero no la más baja. Se pueden ensayar los vacíos de los agregados según ASTM C 29 (AASHTO T 19), COEVNIN 0274, COVENIN 0263, IRAM 1548, NMX-C073, NTC 92, NTP 400.017, UNIT-NM 45. En realidad, la cantidad de pasta de cemento necesaria en el concreto es mayor que el volumen de vacíos entre los agregados. La Figura 5-8, dibujo A, representa solamente agregados grandes, con todas las partículas en contacto. El dibujo B representa la dispersión de los agregados en la matriz de la pasta. La cantidad de pasta es necesariamente mayor que la cantidad de vacíos en el dibujo A, a fin de que se provea trabajabilidad al concreto. La cantidad real se influencia por la trabajabilidad y la cohesión de la pasta.

Tabla 5-3. Límites granulométricos del Agregado Fino (ASTM C 33/AASHTO M6, COVENIN 277, IRAM 1512, Nch 163, NMX-C-111, NTC 174 y NTP 400.037) Tamiz† 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm 600 µm 300 µm 150 µm

A

3

( ⁄8 pulg.) (No. 4) (No. 8) (No. 16) (No. 30) (No. 50) (No. 100)

Porcentaje que pasa (en masa) 100 95 a 100 80 a 100 50 a 85 25 a 60 10 a 30* 2 a 10**

† Las aberturas de los tamices especificados en la Nch 163 son, respectivamente, 10 mm, 5 mm, 2.5 mm, 1.25 mm, 0.630 mm, 0.315 mm y 0.160 mm. * De acuerdo con la ASTM C 33 y la NTP 400.037 este límite es del 5% a 30%. De acuerdo con la COVENIN 277, el límite de porcentaje que pasa en este tamiz es del 8%. ** De acuerdo con la ASTM C 33 y la NTP 400.037 este límite es del 0% al 10%.

Las especificaciones de la AASHTO, de la NMX y de la NTC permiten que los porcentajes mínimos (por masa) de material que pasa en los tamices de 300 µm (No.50) y 150 µm (No.100) se reduzcan a 5% y 0%, respectivamente, desde que: 1. Se use el agregado en un concreto con aire incluido (incorporado) que contenga más de 237 kg de cemento por m3 de concreto (400 lb de cemento por yarda3 de concreto) y más del 3% de contenido de aire (AASHTO y NTC). En el caso de México, la mezcla debe contener más de 250 kg/m3 de cemento. 2. Se use el agregado en un concreto que contenga más de 297 kg de cemento por m3 de concreto (500 lb de cemento por yarda3 de concreto), cuando el concreto no tenga aire incluido (AASHTO y NTC). En el caso de México, la mezcla debe contener más de 300 kg/m3 de cemento.

B Fig. 5-8. Ilustración de la dispersión de los agregados en mezclas de concreto cohesivas.

Granulometría del Agregado Fino Los requisitos de las normas ASTM C 33 o AASHTO M6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, NCh163, NMX-C111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 84 permiten un rango relativamente amplio en la granulometría del agregado fino, pero las especificaciones de otras organizaciones, a veces, son más restrictivas. La granulometría más deseable para el agregado fino depende del tipo de obra, si la mezcla es rica y del tamaño máximo del agregado grueso. En 108


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto 3. Se use material cementante suplementario aprobado, a fin de suministrar la deficiencia de material que pasa en los dos tamices.

Tabla 5-4. Determinación del Módulo de Finura de Agregados Finos Porcentaje de la fracción Porcentaje Porcentaje individual acumulado retenido retenida, que pasa, acumulado, Tamiz en masa en masa en masa 9.5 mm (3⁄8 pulg.) 0 100 0 4.75 mm (No. 4) 2 98 2 2.36 mm (No. 8) 13 85 15 1.18 mm (No. 16) 20 65 35 600 µm (No. 30) 20 45 55 300 µm (No. 50) 24 21 79 150 µm (No. 100) 18 3 97 Charola 3 0 — Total 100 283 Módulo de finura = 283 ÷ 100 = 2.83

Otros requisitos de la ASTM C 33 (AASHTO M6), COVENIN 277, IRAM 1501 (parte II), NMX-C-111 y NTC 174 son: 1. El agregado fino no debe contener más del 45% de material retenido entre cualquiera dos tamices normalizados consecutivos. 2. El módulo de finura debe ser mayor que 2.3 y menor que 3.1, y no debe variar más que 0.2 del valor típico de la fuente del agregado. Si se excede este valor, el agregado se debe rechazar, a menos que se hagan ajustes adecuados en la proporción entre los agregados fino y grueso. Las cantidades de agregado fino que pasan a través de los tamices de 300 µm (No. 50) y de 150 µm (No. 100) afectan la trabajabilidad, la textura superficial, el contenido de aire y el sangrado (exudación) del concreto. La mayoría de las especificaciones permite un porcentaje que pasa en el tamiz 300 µm (No. 50) del 5% al 30%. El límite más bajo puede ser suficiente para condiciones fáciles de colocación o donde se acabe el concreto mecánicamente, como ocurre en los pavimentos. Sin embargo, en pisos acabados manualmente, o donde se desee una textura superficial lisa, se debe usar un agregado fino con, por lo menos, 15% de masa que pase en el tamiz 300 µm (No. 50) y 3% o más en el tamiz 150 µm (No. 100).

Granulometría del Agregado Grueso Los requisitos de granulometría del agregado grueso de las normas ASTM C 33 (AASHTO M 80), COVENIN 277, IRAM 1531, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037 y UNIT 102.permiten límites amplios en la granulometría y una gran variedad de tamaños granulométricos (véanse Tablas 5-5 y 5-6). La granulometría del agregado grueso con un determinado tamaño máximo puede variar moderadamente dentro de un rango, sin que afecte apreciablemente las demandas de cemento y agua de la mezcla, si las proporciones del agregado fino, con relación a la cantidad total de agregados, producen un concreto con buena trabajabilidad. Las proporciones de la mezcla se deben cambiar para producir un concreto trabajable si ocurrieran grandes variaciones en la granulometría del agregado grueso. Como estas variaciones son difíciles de predecir, frecuentemente es más económico mantener la uniformidad de la producción y el manejo del agregado grueso, para que se reduzcan las variaciones de la granulometría. El tamaño máximo del agregado grueso influye en la economía del concreto. Normalmente, se requiere más agua y cemento en concretos con agregados gruesos de tamaño máximo menor si comparado con agregados de tamaño máximo mayor, debido al aumento del área superficial total del agregado. El agua y cemento necesarios para que se obtenga un revenimiento (asentamiento) de 75 mm (3 pulg.), con el uso de una gran variedad de tamaños de agregados gruesos, se presentan en la Figura 5-9. La Figura 5-9 enseña que, para una cierta relación agua-cemento, la demanda de cemento disminuye a medida que el tamaño máximo del agregado aumenta. El costo elevado para la obtención y manejo de agregados mayores que 50 mm (2 pulg.) puede compensar el ahorro por la utilización de menos cantidad de cemento. Además, agregados de tamaños diferentes pueden producir concretos con resistencias ligeramente diferentes, para una misma relación agua-cemento. Por ejemplo, con una misma

Módulo de Finura. El módulo de finura (MF) tanto del agregado fino como del grueso se calcula, se acuerdo con ASTM C 125, COVENIN 255, IRAM 1627, NCh 165, NMXC-111, NTC 385, NTE 0694:83, NTP 400.011 y UNIT-NM 2, sumándose los porcentajes acumulados de la masa retenida en cada uno de los tamices de la serie especificada y dividiéndose esta suma por 100. La serie especificada de tamices para la determinación del MF es: 150 µm (No. 100), 300 µm (No. 50), 600 µm (No. 30), 1.18 mm (No. 16), 2.36 mm (No. 8), 4.75 mm (No. 4), 9.5 mm (3⁄8 pulg.), 19.0 mm (3⁄4 pulg.), 37.5 mm (11⁄2 pulg.), 75 mm (3 pulg.) y 150 mm (6 pulg.). La serie especificada de tamices para la determinación del MF en la norma NMX-C-111 no incluye el tamiz de malla 150 mm (6 pulg.). El MF es un índice de finura del agregado – cuanto mayor el MF, más grueso es el agregado. Agregados con granulometrías diferentes pueden tener el mismo MF. El MF de los agregados finos es útil para estimar las proporciones de agregados fino y grueso en el concreto. Un ejemplo de como se determina el MF del agregado fino (de un análisis granulométrico asumido) se presenta en la Tabla 5-4. La degradación del agregado fino debido al rozamiento y a la abrasión decrece el MF y aumenta la cantidad de materiales más finos que 75 µm (No. 200). 109


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 5-5. Requisitos Granulométricos para Agregados Gruesos (ASTM C 33, AASHTO M 80, IRAM 1531, Número del tamaño 1 2 3 357 4 467 5† 56† 57 6† 67 7 8

Tamaño nominal, tamices con abertura cuadradas* (31⁄2 a 11⁄2 pulg.) (21⁄2 a 11⁄2 pulg.) (2 a 1 pulg.) (2 pulg. a No. 4) (11⁄2 a 3⁄4 pulg.) (11⁄2 pulg. a No. 4) (1 a 1⁄2 pulg.) (1 a 3⁄8 pulg.) (1 pulg. a No. 4) (3⁄4 a 3⁄8 pulg.) (3⁄4 pulg. a No. 4) (1⁄2 pulg. a No. 4) (3⁄8 pulg. a No. 8)

90 a 37.5 mm 63 a 37.5 mm 50 a 25.0 mm 50 a 4.75 mm 37.5 a 19.0 mm 37.5 a 4.75 mm 25.0 a 12.5 mm 25.0 a 9.5 mm 25.0 a 4.75 mm 19.0 a 9.5 mm 19.0 a 4.75 mm 12.5 a 4.75 mm 9.5 a 2.36 mm

Cantidades más finas que cada tamiz de laboratorio, 90 mm 75 mm 63 mm 50 mm (31⁄2 pulg.) (3 pulg.) (21⁄2 pulg.) (2 pulg.)

100 mm (4 pulg.) 100 — — — — — — — — — — — —

90 a 100 — — — — — — — — — — — —

— 100 — — — — — — — — — — —

25 a 60 90 a 100 100 100 — — — — — — — — —

— 35 a 70 90 a 100 95 a 1001 100 100 — — — — — — —

† No se especifica en la Nch 163, ni tampoco en la NMX-C-111. * Los tamaños nominales pueden variar ligeramente de un país al otro. Por ejemplo, en Argentina, los tamaños nominales especificados en mm, mientras que en Chile, la Nch 163, trae los siguientes grados: 63-40 mm, 50-25 mm, 40-20 mm, 40-5 mm, 25-5 mm, 50-5 mm, 12.5-5 mm, 1 La Nch 163 especifica del 90% a 100%.

Tabla 5-6. Límites de los porcentajes en peso que pasan los tamices de aberturas cuadradas (COVENIN 277) Piedra picada o grava No 0

75 m (3") —

64.0 mm (21⁄2") —

50.8 mm (2") —

38.1 mm (11⁄2") —

25.4 mm (1") —

No 1

100

No 2

No 3

100

100 a 90

100 a 95 95 a 65

90 a 75 60 a 20

100 a 90 70 a 35 10 a 0

Tamaño maximo nominal del agregado, pulg. 3/16

3/8 1/2

3/4

1

11/2

2

3

300

19.0 mm (3⁄4") 100 a 80 90 a 50 30 a 5 5 a 0

Tamaño maximo nominal del agregado, pulg. 43/8 500

3/16 450

3/8 1/2

3/4

1

11/2

2

3

43/8

700

Concreto sin aire incluido

400

400

200

100 100

Revenimiento de aproximadamente 75 mm (3 pulg.) Relación a/c: 0.54 en masa 0 4.75

9.5 12.5

19.0 25.0 37.5

50.0

600 350

300

250

200 4.75

0 75.0 112.0

Tamaño maximo nominal del agregado, mm

500

Concreto con aire incluido Revenimiento de aproximadamente 75 mm (3 pulg.) Relación a/c: 0.54 en masa 9.5 12.5

19.0 25.0 37.5

Cemento, lb/yd3

Concreto con aire incluido

Agua, lb/yd3

Agua, kg/m3

300

Cemento, kg/m3

Concreto sin aire incluido 200

400

50.0

75.0 112.0

Tamaño maximo nominal del agregado, mm

Fig. 5-9. Contenidos de cemento y agua con relación al tamaño máximo del agregado de concreto con y sin aire incluido. Se requiere menos cemento y agua en mezclas con agregados gruesos grandes (Bureau of Reclamation 1981). 110


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto Nch 163, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037) porcentaje que pasa 37.5 mm 25.0 mm (11⁄2 pulg.) (1 pulg.) 0 a 15 0 a 15 35 a 70 — 90 a 100 95 a 1001 100 100 100 — — — —

— — 0 a 15 35 a 70 20 a 55 — 90 a 100 90 a 100 95 a 1001 100 100 — —

19.0 mm (3⁄4 pulg.)

12.5 mm (1⁄2 pulg.)

9.5 mm (3⁄8 pulg.)

4.75 mm (No. 4)

2.36 mm (No. 8)

1.18 mm (No. 16)

0a5 0a5 — — 0 a 15 35 a 70 20 a 55 40 a 85 — 90 a 100 90 a 100 100 —

— — 0a5 10 a 30 — — 0 a 10 10 a 40 25 a 60 20 a 55 — 90 a 100 100

— — — — 0a5 10 a 30 0a5 0 a 15 — 0 a 15 25 a 55 40 a 70 85 a 1001

— — — 0a5 — 0a5 — 0a5 0 a 10 0a5 0 a 10 0 a 15 10 a 30

— — — — — — — — 0a5 — 0a5 0a5 0 a 10

— — — — — — — — — — — — 0a5

los límites de la IRAM 1531 son 53.0 a 4.75 mm, 37.5 a 4.75 mm, 26.5 a 4.75 mm, 19.0 a 4.75 mm, 13.2 a 4.75 mm, 53.0 a 26.5 mm y 37.5 a 19.0 10-2.5 mm. La norma mexicana se diferencia, en este aspecto, de la norma chilena solamente en el tamaño 64 a 40 mm.

12.7 mm (1⁄2") 100 50 45 a 15 10 a 0 —

9.51 mm (3⁄8") 85 a 25 20 a 0 5 a 0 —

6.35 mm (1⁄4") 60 a 15 7 a 0 —

4.76 mm (No. 4) 40 a 5 —

2.38 mm (No. 8) 20 a 0 —

1.19 mm (No. 16) 10 a 0 —

595 µm (No. 30) 5 a

297 µm (No. 50) —

cantidad colectiva de agregado que pasa a través de un conjunto de tamices. Como se puede observar en las Tablas 5-5 y 5-6, la cantidad de agregado que pasa a través del respectivo tamiz se representa en porcentaje y se llama de análisis granulométrico. Algunas veces, hay una confusión entre el significado del tamaño máximo del agregado. La ASTM C 125, Nch 163, NTC 385, NTE 0694:83, NTP 400.037, UNIT-NM 2 y el ACI 116 definen este término como el menor tamiz por el cual toda la muestra de agregado grueso debe pasar. El tamaño máximo nominal se define por la ASTM C 125 y por el ACI 116 como el menor tamiz por el cual la mayor parte de la muestra de agregado grueso debe pasar. El tamiz del tamaño máximo nominal puede retener del 5% a 15% de la masa, dependiendo del número de tamaño. Por ejemplo, un agregado con número de tamaño 67 tiene un tamaño máximo de 25 mm (1 pulg.) y un tamaño máximo nominal de 19 mm (3⁄4 pulg.), 91% de este agregado debe pasar por el tamiz de 19 mm (3⁄4 pulg.) y todas las partícu-

relación agua-cemento, el concreto con un agregado de tamaño máximo menor podría tener una resistencia a compresión mayor. Esto se verifica principalmente en los concretos de alta resistencia. El tamaño máximo óptimo del agregado grueso para resistencias más elevadas depende de factores, tales como resistencia relativa de la pasta de cemento, adherencia entre cemento y agregado y resistencia de las partículas de agregado. La terminología que se usa para especificar el tamaño del agregado se debe elegir cuidadosamente. El tamaño de la partícula se determina por el tamaño de la abertura del tamiz y se aplica al agregado que pasa a través de éste y que se queda retenido en el tamiz inmediatamente menor. Cuando se habla de una clasificación de tamaños de partículas, se usa en algunos países (Colombia, EE.UU., Perú y Venezuela) el número de tamaño (o tamaño granulométrico), mientras que en otros países (Argentina, Chile, México) se refiere a una clasificación a través del tamaño máximo nominal. El número del tamaño se aplica a una 111


EB201 25

las deben pasar el tamiz de 25 mm (1 pulg.). La NTP 400.037 define el tamaño máximo nominal del agregado como el menor tamiz que produce el primer retenido, pero no especifica el límite del porcentaje retenido, mientras que la Nch 163 define el tamaño máximo nominal (Dn) como la abertura del tamiz inmediatamente inferior al tamaño máximo absoluto (equivalente al que se llama de tamaño máximo en las normas de los otros países citados aquí), cuando por este tamiz pase 90% o más de la muestra. Cuando menos del 90% pasa por este tamiz, se considera como Dn el propio tamaño máximo absoluto. El tamaño máximo de agregado que se puede utilizar depende del tamaño y de la forma del miembro de concreto y de la cantidad y distribución del acero de refuerzo (armadura). Normalmente, el tamaño máximo del agregado no puede exceder: 1. un quinto de la dimensión más pequeña del miembro de concreto. 2. Tres cuartos del espacio libre entre las barras de acero del refuerzo y entre las varillas de refuerzo y las cimbras (encofrados). 3. Un tercio de la profundidad de las losas.

Porcentaje retenido

20

15

10

5

45

75

0.0

0.0

50 0.1

00

00 0.3

0.6

8 1.1

37. 5 25. 0 19. 0 12. 5 9.5 4.7 5

0 6

2.3

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

Tamaño del tamiz en mm

Fig. 5-10. Granulometría óptima combinada de agregado para concreto.

• La mezcla óptima tiene la menor interferencia de las partículas y responde mejor a los vibradores de alta frecuencia y alta amplitud.

Se puede renunciar a estos requisitos si, en la opinión del ingeniero, la mezcla poseyera una trabajabilidad suficiente para que el concreto se coloque adecuadamente sin la formación de agujeros y vacíos.

Sin embargo, la mezcla óptima no se puede utilizar en todas las obras debido a la variación de las necesidades de colocación y acabado, bien como de su disponibilidad. Crouch (2000) encontró, en su estudio de concretos con aire incluido, que la relación agua-cemento podría reducirse más del 8% con el uso de la granulometría combinada. Shilstone (1990) también analiza la gradación del agregado, a través de factores de aspereza y trabajabilidad, para mejorar la granulometría del agregado.

Granulometría Combinada del Agregado Algunas veces, se analiza el agregado con el uso de la granulometría combinada de los agregados fino y grueso, de la misma manera como se presentarán en el concreto. Esto provee un análisis más minucioso de cómo los agregados actuarán en el concreto. Algunas veces, hay una carencia en el abastecimiento de agregados de tamaños medianos, aproximadamente 9.5 mm (3⁄8 pulg.), resultando en alta contracción, alta demanda de agua, baja trabajabilidad, baja bombeabilidad y dificultad de colocación. La resistencia y la durabilidad también se pueden afectar. La Figura 5-10 ilustra una granulometría ideal. Sin embargo, la granulometría ideal no existe en el campo – pero podemos acercarnos de ella. Se debe considerar el uso de agregados alternativos, combinación de agregados o tamizados especiales de agregados existentes si se desarrollen problemas debido a la granulometría pobre. Consulte Shilstone (1990) para opciones para obtenerse la granulometría óptima del agregado. La granulometría combinada se puede usar para mejor controlar la trabajabilidad, la bombeabilidad, la retracción, además de otras propiedades del concreto. Abrams (1918) y Shilstone (1990) demostraron los beneficios del análisis del agregado combinado: • Para un contenido constante de cemento y una consistencia constante, existe una combinación óptima de agregados que producirá la relación agua-cemento más eficiente y la mayor resistencia.

Agregado con Granulometría Discontinua En los agregados con granulometría discontinua, ciertos tamaños de partículas se omiten intencionalmente. Para el concreto colado en obra, los agregados discontinuos típicos consisten en un solo tamaño de agregado grueso con todas las partículas de agregado fino capaces de pasar a través de los vacíos en el agregado grueso compactado. Las mezclas discontinuas se usan en el concreto arquitectónico (a la vista) para obtener texturas uniformes en concretos con agregados expuestos. También se los pueden usar en concretos estructurales normales, debido a posibles mejorías en algunas propiedades del concreto y por permitir el uso de las granulometrías de agregados locales (Houston 1962 y Litvin y Pfeifer 1965). En un agregado con tamaño máximo de 19 mm (3⁄4 pulg.), las partículas de 4.75 mm a 9.5 mm (No. 4 a 3⁄8 pulg.) se pueden omitir, sin que el concreto se vuelva excesivamente áspero o propenso a segregarse. En el caso del agregado con 37.5 mm (11⁄2 pulg.), normalmente se omiten los tamaños 4.75 a 19 mm (No.4 a 3⁄4 pulg.). 112


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto lares o con granulometría pobre también pueden ser más difíciles de bombear. La adherencia entre la pasta de cemento y un determinado agregado generalmente aumenta con el cambio de partículas lisas y redondeadas por las ásperas y angulares. Cuando la resistencia a flexión es importante o cuando se necesite alta resistencia a compresión, se debe considerar este aumento de la adherencia al elegirse el agregado para el concreto. La cantidad de vacíos de los agregados fino y grueso compactados se puede usar como un índice de las diferencias en la forma y la textura de los agregados con la misma granulometría. La demanda de agua de mezcla y cemento normalmente aumentan con el aumento de la cantidad de vacíos. Los vacíos entre las partículas de agregados aumentan con la angularidad del agregado. El agregado debe ser relativamente libre de partículas planas y alongadas. Una partícula se considera plana y alongada cuando la relación entre longitud y espesor supera un valor especificado. Consulte la ASTM D 4791 para la determinación de las partículas planas y/o alongadas. La ASTM D 3398, COVENIN 0264. IRAM 1681, IRAM 1687, UNIT 1029 fornecen un método indirecto para establecer un índice como una medida general de la textura y forma de las partículas, mientras que la ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773 y UNIT-NM 54 fornecen procedimientos para el examen petrográfico del agregado. Las partículas planas y alongadas se deben evitar o, por lo menos, limitar a cerca del 15% de la masa total del agregado. Este requisito es igualmente importante para el agregado grueso y para el agregado fino triturado, pues el agregado fino obtenido por la trituración de la roca frecuentemente contiene partículas planas y alongadas. Estas partículas de agregado requieren un aumento del agua de mezcla y, por lo tanto, pueden afectar la resistencia del concreto, principalmente a flexión, si no se ajusta la relación agua-cemento. Están disponibles varias máquinas de ensayo para la determinación rápida de la distribución del tamaño de las partículas del agregado. Diseñadas para fornecer una alternativa más rápida al ensayo normalizado de análisis granulométrico, estas máquinas captan y analizan imágenes digitales de las partículas de agregado para determinar la granulometría. La Figura 5-11 enseña un “videograder” que mide el tamaño y la forma de un agregado, usando cámaras para el escáner de línea, donde se construyen imágenes en dos dimensiones para una serie de imágenes en línea. Otras máquinas usan cámaras con escáner de matriz que captan fotos bi-dimensionales del agregado que cae. Maerz y Lusher (2001) desarrollaron un prototipo de un sistema de imágenes dinámicas que provee informaciones sobre el tamaño y la forma de las partículas con el uso de sistema de mini esteras transportadoras para hacer con que los fragmentos individuales pasen delante de dos cámaras sincronizadas y orientadas ortogonalmente.

Se debe tener cuidado al elegirse el porcentaje de agregado fino en la mezcla discontinua. Una elección incorrecta puede resultar en un concreto que esté propenso a segregarse o a formar agujeros, debido al exceso de agregado grueso. Además, un concreto con exceso de agregado fino puede tener una alta demanda de agua, resultando en un concreto con baja densidad. El agregado fino ocupa, normalmente, del 25% al 35% del volumen total de agregados. El porcentaje más bajo se usa con agregados redondeados y el más elevado con los agregados triturados. Para que se obtenga un acabado liso al retirarse el concreto de la cimbra, se puede usar un porcentaje de agregado fino con relación al agregado total un poco más elevado del aquél utilizado en el concreto con agregado expuesto, pero ambos utilizan una cantidad menor de agregados finos que los concretos con granulometría continua. La cantidad de agregado fino también depende del contenido de cemento, del tipo de agregado y de la trabajabilidad. Normalmente se requiere la inclusión de aire para la mejoría de la trabajabilidad, pues los concretos de bajo revenimiento (asentamiento) y con granulometría discontinua usan bajos porcentajes de agregado fino y producen mezclas ásperas si no hay inclusión de aire. Se debe prevenir la segregación de las mezclas con agregado discontinuo, restringiéndose el revenimiento al menor valor consistente con una buena consolidación. Esto puede variar de cero a 75 mm (hasta 3 pulg.), dependiendo del espesor de la sección, de la cantidad de refuerzo y la altura de colocación. También se hace necesario un control más restricto de la granulometría y del contenido de agua, pues las variaciones pueden causar segregación. Si se requiere una mezcla áspera, los agregados discontinuos pueden producir resistencias superiores a de los concretos con agregados normales que tengan contenidos de cemento comparables. Debido a sus bajos volúmenes de agregado fino y relación agua-cemento, las mezclas de granulometría discontinua se pueden considerar no trabajables en algunos tipos de obras. Sin embargo, estos concretos, si son proporcionados adecuadamente, se consolidan fácilmente a través de vibración.

Forma y Textura Superficial de las Partículas La forma y la textura superficial de las partículas de un agregado influyen en las propiedades del concreto fresco más que las del concreto endurecido. Las partículas con textura áspera, angulares o alongadas requieren más agua para producir un concreto trabajable que agregados lisos, redondeados y compactos. Además, las partículas de agregado angulares requieren más cemento para mantener la misma relación agua-cemento. Sin embargo, con la granulometría satisfactoria, tanto los agregados triturados como los no triturados (de un mismo tipo de roca), generalmente, producen concretos con la misma resistencia, si se mantiene el contenido de cemento. Los agregados angu113


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 contenido de vacíos suelto del agregado fino se presenta en la ASTM C 1252.

Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) La densidad relativa (densidad absoluta, gravedad específica) de un agregado es la relación entre su masa y la masa de agua con el mismo volumen absoluto. Se la usa en algunos cálculos de proporcionamiento y del control de la mezcla, tales como el volumen ocupado por el agregado en el método del volumen absoluto de diseño de mezcla. Normalmente no se la usa como una medida de la calidad del agregado, aunque algunos agregados porosos que exhiben deterioro acelerado por congelación-deshielo presentan baja gravedad específica. La mayoría de los agregados naturales tiene densidades relativas que varían de 2.4 a 2.9, con densidad correspondiente de las partículas de 2400 a 2900 kg/m3 (150 y 181 lb/pie3). Los métodos de ensayo para la determinación de la densidad relativa de los agregados fino y grueso se describen en las normas ASTM C 127 (AASHTO T 85), COVENIN 0269, IRAM 1533, NCh1117, NMX-C-164, NTC 176, NTP 400.021, UNIT-NM 30, UNIT-NM 53 y ASTM C 128 (AASHTO T 84), COVENIN 0268, IRAM 1520, NCh1239, NMX-C-165, NTC 237, NTP 400.022, UNIT-NM 64, UNIT-NM 52, respectivamente. La densidad relativa de un agregado se puede determinar en la condición seca al horno o saturada con superficie seca. Ambas densidades se pueden utilizar en los cálculos del proporcionamiento del concreto. Los agregados secos al horno no contienen ninguna agua absorbida ni tampoco agua libre. Se las seca en un horno hasta la constancia de masa. Los agregados saturados con superficie seca son aquéllos cuyos poros de cada partícula de agregado están llenos de agua, pero no hay exceso de agua en la superficie de las partículas.

Fig. 5-11. Videograder para medir el tamaño y la forma de los agregados. (69545)

Densidad Suelta (Peso Volumétrico, Peso Unitario, Masa Unitaria, Peso Específico) y Vacíos La densidad suelta (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico, densidad a granel) de un agregado es la masa o el peso del agregado necesario para llenar un recipiente con un volumen unitario especificado. El volumen a que se refiere aquí es aquél ocupado por los agregados y por los vacíos entre las partículas de agregado. La densidad suelta aproximada del agregado comúnmente usado en el concreto de peso normal varía de 1200 a 1750 kg/m3 (75 a 110 lb/pie3). La cantidad de vacíos entre las partículas afecta la demanda de pasta en el diseño de la mezcla (véase la sección anterior, “Forma y Textura Superficial de las Partículas”). La cantidad de vacíos varía de cerca del 30% a 45% para el agregado grueso y de cerca del 40% a 50% para el agregado fino. La angularidad aumenta la cantidad de vacíos, mientras que los tamaños mayores de un agregado bien graduado y la mejoría de la granulometría disminuyen el contenido de vacíos (Fig. 5-7). Los métodos para la determinación de la densidad del agregado y el contenido de vacíos se encuentran en las normas ASTM C 29 (AASHTO T 19), COVENIN 0274, COVENIN 0263, IRAM 1548, NMX-C-073, NTC 92, NTP 400.017, UNIT-NM 45. En estas normas, se describen tres métodos para la consolidación del agregado en el recipiente, dependiendo del tamaño máximo del agregado: varillado, sacudido y vaciado con pala. La medición del

Densidad La densidad de las partículas que se usa en los cálculos de proporcionamiento (no incluyen los vacíos entre las partículas) se determina por la multiplicación de la densidad relativa (gravedad específica) de los agregados por la densidad del agua. Se usa un valor aproximado para la densidad del agua de aproximadamente 1000 kg/m3 (62.4 lb/pie3). La densidad del agregado, juntamente con valores más precisos de la densidad del agua, se presentan en la normas ASTM C 127 (AASHTO T 85) y ASTM C 128 (AASHTO T 84). La densidad de las partículas de la mayoría de los agregados naturales está entre 2400 y 2900 kg/m3 (150 y 181 lb/pie3).

114


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto contenidos de agua libre generalmente varían del 0.5% al 2% para el agregado grueso y del 2% al 6% para el agregado fino. El contenido máximo de humedad del agregado grueso drenado es normalmente menor que aquél del agregado fino. La mayoría de los agregados finos puede mantener un contenido máximo de humedad drenada de cerca del 3% al 8%, mientras que el agregado grueso puede mantener del 1% al 6%.

Absorción y Humedad Superficial La absorción y la humedad superficial de los agregados se deben determinar de acuerdo con las normas ASTM C 70, COVENIN 0272, ASTM C 127, COVENIN 0269, IRAM 1533, NMX-C-164, NCh1117, NTC 176, NTP 400.021, UNITNM 30, UNIT-NM 53; ASTM C 128, COVENIN 0268, IRAM 1520, NCh1239, NMX-C-165, NTC 237, NTP 400.022, UNITNM 64, UNIT-NM 52; ASTM C 566 (AASHTO T 255), COVENIN 1375, NMX-C-166, NTC 1776, NTP 339.185 así el agua total del concreto se puede controlar y las masas correctas de los materiales de la revoltura se pueden determinar. La estructura interna de una partícula de agregado se constituye de materia sólida y vacíos que pueden o no contener agua. Las condiciones de humedad de los agregados se presentan en la Figura 5-12 y se las puede definir como: 1. Secado al horno – totalmente absorbente 2. Secado al aire – la superficie de las partículas está seca, pero su interior contiene humedad y, por lo tanto, aún es ligeramente absorbente 3. Saturado con superficie seca (SSS) – no absorben ni ceden agua al concreto 4. Húmedos – Contiene un exceso de humedad sobre la superficie (agua libre)

Humedad total:

Secado al horno

Ninguna

Saturado con Secado al aire superficie seca

Menor que la Igual a la absorción potencial absorción potencial

Húmedo

Mayor que la absorción potencial

Fig. 5-12. Condiciones de humedad de los agregados.

La cantidad de agua que se adiciona en la planta de concreto se debe ajustar para las condiciones de humedad de los agregados, a fin de que se atienda a la demanda de agua del diseño de la mezcla de manera precisa. Si el contenido de agua del concreto no se mantiene constante, la relación agua-cemento variará de una amasada a la otra, resultando en la variación de otras propiedades, tales como la resistencia a compresión y la trabajabilidad. Los agregados grueso y fino generalmente tienen niveles de absorción (contenido de humedad a SSS) que varían del 0.2% al 4% y del 0.2% al 2%, respectivamente. Los

40

Porcentaje del aumento de volumen en relación al secado al horno, agregado fino varillado

Estado

Hinchamiento (Abultamiento, Abundamiento). El hinchamiento (abultamiento, abundamiento) es el aumento del volumen total del agregado fino húmedo con relación a la misma masa seca. La tensión superficial en el agua mantiene las partículas separadas, resultando en un aumento de volumen. El hinchamiento del agregado fino (como la arena) ocurre cuando se lo manosea o se lo mueve en la condición húmeda, aunque se lo haya consolidado totalmente de antemano. La Figura 5-13 presenta como el hinchamiento del agregado fino varía con el contenido de humedad y la granulometría: el agregado más fino abulta más que agregados con granulometrías más gruesas para una dada cantidad de humedad. La Figura 5-14 enseña una información similar en términos de masa para un agregado en particular. Como la mayoría de los agregados se entregan en la condición húmeda, pueden ocurrir grandes variaciones en las cantidades de la amasada, si se hace la dosificación en volumen. Por esta razón, una buena práctica es la dosificación en masa y el ajuste de la humedad.

Granulometría fina

Granulometría media

30

Granulometría gruesa

20

10

0 0

5 10 15 Porcentaje de humedad adicionada en masa al agregado fino varillado y seco

20

Fig. 5-13. La humedad superficial en el agregado fino puede causar un abundamiento considerable, cuya magnitud varía con la cantidad de humedad y con la granulometría del agregado (PCA Major Series 172 y PCA ST20).

115


Suelto, porcentaje en volumen

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 partícula fallará cuando estuviera críticamente saturada. El tamaño crítico depende de la velocidad de congelación y de la porosidad, permeabilidad y resistencia a la tensión (tracción) de la partícula. En los agregados de granos finos con baja permeabilidad (por ejemplo, chert), el tamaño crítico de las partículas puede estar dentro del rango de tamaños normales del agregado. El tamaño crítico es mayor para los agregados con granos más gruesos o para aquéllos con un sistema de capilaridad interrumpido por muchos macroporos (vacíos tan grandes que no mantienen la humedad por acción capilar). Para estos agregados, el tamaño crítico de partícula puede ser suficientemente grande para que no tenga ninguna consecuencia, aunque la absorción sea elevada. Si se utilizan agregados potencialmente vulnerables en el concreto que se mantenga permanentemente seco, estos agregados pueden nunca volverse suficientemente saturados para que causen daños al concreto. El agrietamiento (fisuración) de los pavimentos, causado por el deterioro por congelación-deshielo del agregado en el concreto, se llama de agrietamiento en D. Este tipo de fisuras se ha observado en algunos pavimentos después de tres o más años de servicio. El concreto con fisuras en D se parece al concreto dañado por el congelamiento que causa la deterioración de la pasta. Las grietas en D son fisuras poco espaciadas y paralelas a las juntas transversal y longitudinal que posteriormente se multiplican desde las juntas hacia el centro del panel del pavimento (Fig. 5-15). El agrietamiento en D es función de las propiedades de los poros de ciertos tipos de agregados y del ambiente de exposición del pavimento. Debido a la acumulación natural de agua bajo los pavimentos en las capas de subbase y base, los agregados eventualmente se

30 20 10 0

2480 150 140

2080

130 Masa del agregado fino y del agua en un volumen unitario medido suelto al aire

120

1880

110 1680 100 1480

Densidad suelta, lb/pie3

Densidad suelta, kg/m3

2280

90

1280 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

80

Humedad en el agregado fino, porcentaje en masa

Fig. 5-14. Comparación de la densidad (peso volumétrico) con el contenido de humedad para una arena en particular (PCA Major Series 172)

Resistencia a Congelación y Deshielo La resistencia a la congelación de un agregado, que es una característica importante para el concreto que se aplique exteriormente, se relaciona con su porosidad, absorción, permeabilidad y estructura de los poros. Una partícula de agregado puede absorber tanta agua (hasta la saturación crítica) que no puede soportar la expansión y la presión hidráulica que ocurren durante al congelamiento del agua. Si hay una cantidad suficiente de partículas afectadas, puede haber una expansión del agregado y una posible desintegración del concreto. Si una única partícula problemática está cerca de la superficie del concreto, puede ocurrir una erupción. Las erupciones generalmente aparecen con fragmentos cónicos que se desprenden de la superficie del concreto. En este caso, la partícula de agregado afectada se encuentra en el fondo del hueco. Normalmente son las partículas del agregado grueso, más que del fino, que presentan valores más elevados de porosidad y poros con tamaños medianos (0.1 a 5 µm), las que más fácilmente se saturan y causan la deterioración del concreto y el aparecimiento de erupciones. Los poros más grandes normalmente no se saturan o causan fallas en el concreto y el agua en los poros más finos tal vez no se congele fácilmente. En cualquier velocidad de congelamiento, puede haber un tamaño de partícula crítico que al superar la

Fig. 5-15. Agrietamiento tipo D a lo largo de la junta transversal, causado por la falla del agregado grueso de carbonato (Stark 1976). (30639) 116


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto pueden volver saturados. Entonces, con los ciclos de congelación y deshielo, el agrietamiento del concreto empieza en los agregados saturados (Fig. 5-16), en el fondo de la losa y se propaga hacia arriba hasta que alcance la superficie. Este problema se puede reducir o con la elección de los agregados con mejor desempeño en los ciclos de congelación-deshielo o, cuando se deben utilizar agregados

Las especificaciones pueden requerir que la resistencia al intemperismo se demuestre a través de ensayos con sulfato de sodio y sulfato de magnesio (ASTM C 88 o AASHTO T 104, COVENIN 0271, IRAM 1525, NCh1328, NMX-C-075-1997- ONNCCE, NTC 126, NTP 400.016). El ensayo consiste en un número ciclos de inmersiones del agregado en una solución de sulfato, pues la presión interna que se cría con el crecimiento de los cristales de sal en los poros de los agregados se asemeja con aquélla producida por el congelamiento del agua. Entonces, se seca la muestra en el horno y se calcula el porcentaje de pérdida de masa. Infelizmente, este ensayo, algunas veces, es engañoso. Los agregados que se comportan de manera satisfactoria en este ensayo pueden producir concretos con baja resistencia a congelación-deshielo y, por el contrario, agregados con un desempeño pobre pueden producir concretos con la resistencia adecuada. Esto se atribuye, al menos en parte, a que los agregados en el ensayo no están confinados por la pasta de cemento (como estarían en el concreto) y los mecanismos de ataque no son los mismos de la congelación-deshielo. El ensayo es más confiable para rocas estratificadas con capas porosas o planos de estratificación. Un ensayo adicional, que se puede utilizar en la evaluación del agregado cuanto al aparecimiento potencial de fisuras en D, es el método de liberación rápida de presión. El agregado se coloca en una cámara presurizada y, entonces, se libera la presión rápidamente causando la fractura del sistema de poros dudoso (Jansen y Zinder 1994). El grado de fisuración indica el potencial de agrietamiento en D.

Fig. 5-16. Partícula fracturada de agregado de carbonato como una fuente de falla en el agrietamiento tipo D (aumento de 2.5X) (Stark 1976). (30639-A)

susceptibles a daños por congelamiento, con la reducción del tamaño máximo de las partículas. Además, la instalación de bases permeables o de un sistema de drenaje eficiente que retire el agua de abajo del pavimento, puede ser útil (Harrigan 2002). El comportamiento de los agregados expuestos a congelamiento y deshielo se puede evaluar de dos maneras: (1) desempeño anterior en campo y (2) ensayos de laboratorio en probetas de concreto. Si los agregados de una misma fuente presentaron un comportamiento en servicio satisfactorio cuando usados en el concreto, se los podría considerar adecuados. Los agregados que no tengan un registro de servicio se pueden considerar aceptables si tuvieran un comportamiento satisfactorio en el ensayo de congelacióndeshielo ASTM C 666 (AASHTO T 161), COVENIN 1601, NCh2185, NMX-C-205. En este ensayo, probetas de concreto producidas con el agregado en cuestión se someten a ciclos alternados de congelación y deshielo en agua. El deterioro se mide por: (1) la reducción en el módulo de elasticidad dinámico, (2) expansión lineal y (3) pérdida de masa del espécimen. Muchos departamentos de autopistas de los Estados Unidos usan el criterio de la falla cuando se atinge una expansión de 0.035% en 350 ciclos o menos para ayudar a indicar si un agregado es susceptible al agrietamiento en D. Los diferentes tipos de agregados pueden cambiar los niveles del criterio y las correlaciones empíricas de los ensayos de laboratorio de congelación-deshielo. Se deben hacer registros de servicio de campo para elegirse el criterio adecuado (Vogler y Grove 1989).

Propiedades de Humedecimiento y Secado El intemperismo debido al humedecimiento y secado puede afectar la durabilidad del agregado. Los coeficientes de expansión y contracción de las rocas varían con la temperatura y el contenido de humedad. En algunos agregados, pueden ocurrir deformaciones elevadas si ocurren humedecimientos y secados alternos y, en el caso de algunos tipos de rocas, esto puede causar un aumento permanente de volumen y su eventual ruptura. Los terrones de arcilla y otras partículas friables se pueden degradar rápidamente con el humedecimiento y secado repetidos. También se pueden desarrollar erupciones, resultantes de las características de hinchazón por la humedad, de algunos agregados, principalmente en arcillas y esquistos. A pesar de que no existen ensayos específicos para determinar esta tendencia, un petrógrafo experimentado puede frecuentemente ayudar a determinar el potencial de falla.

Abrasión y Resistencia al Derrapamiento La resistencia a la abrasión (desgaste) de un agregado frecuentemente se usa como un índice general de su calidad. La resistencia a la abrasión es esencial cuando el agre117


EB201 Contracción por secado después de un año, en porcentaje

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

gado se usará en un concreto sujeto al desgaste, como en los pisos para servicio pesado o pavimentos. La baja resistencia al desgaste de un agregado puede aumentar la cantidad de finos en el concreto durante el mezclado y, consecuentemente, puede haber un aumento en la demanda de agua, requiriéndose ajustes de la relación agua-cemento. El ensayo más común de resistencia a la abrasión es el ensayo de abrasión Los Angeles (método del tambor giratorio) realizado de acuerdo con la ASTM C 131 (AASHTO T 96), COVENIN 0266-77, IRAM 1532, NCh1369.Of1978, NMX-C-196, NTP 400.019, UNIT-NM 51 o ASTM C 535, COVENIN 0267-78, IRAM 1532, NCh1369, NMX-C-196, NTP 400.020, UNIT-NM 51. En este ensayo, una cantidad especificada de agregado se coloca en un tambor de acero que contiene pelotas de acero, se gira el tambor y se mide el porcentaje de material desgastado. Las especificaciones normalmente establecen un límite máximo de pérdida de masa. Sin embargo, una comparación de los resultados de los ensayos de abrasión con la resistencia a abrasión de un concreto producido con el mismo agregado, generalmente no muestra una clara relación. La pérdida de masa resultante del impacto en el tambor, frecuentemente, es comparable con aquélla por abrasión. La resistencia al desgaste del concreto se determina más precisamente por la abrasión del propio concreto (véase el Capítulo 1). Para fornecer una buena resistencia al derrapamiento (resbalón) en los pavimentos, el contenido de partículas silíceas del agregado fino debe ser, por lo menos, 25%. Para propósitos de especificación, el contenido de partículas silíceas se considera igual al residuo insoluble, después del tratamiento en ácido clorhídrico bajo condiciones normalizadas (ASTM D 3042). Algunas arenas manufacturadas producen superficies deslizadizas de pavimentos y se las debe investigar para aceptación antes de su uso.

0.14 0.12

0.10 0.08

0.06 0.04

0.02 0.00 Arenisca

Pizarra

Granito

Caliza

Cuarzo

Fig. 5-17. Concretos conteniendo arenisca o pizarra presentan alta contracción. Granito, calizas y cuarzo son agregados que producen concretos con baja contracción (ACI 221R).

además de calizas, dolomitas y granitos, se consideran como agregados de baja retracción, mientras que los agregados con arenisca, pizarra, hornblenda y grauvaca frecuentemente están asociados con una alta contracción del concreto (Fig. 5-17).

Resistencia a Ácidos y Otras Sustancias Corrosivas El concreto de cemento portland es durable en la mayoría de los ambientes naturales, pero, sin embargo, el concreto se puede exponer ocasionalmente a sustancias que lo atacarán. La mayoría de las soluciones ácidas se desintegran lenta o rápidamente en concreto de cemento portland, dependiendo del tipo y la concentración del ácido. Ciertos ácidos, tales como el ácido oxálico, son inofensivos. Las soluciones débiles de algunos ácidos tienen efectos insignificantes. A pesar de que normalmente los ácidos atacan y lixivian los compuestos de calcio de la pasta de cemento, pueden no atacar fácilmente ciertos agregados, como los agregados silíceos. Los agregados calcáreos frecuentemente reaccionan rápidamente con los ácidos. Sin embargo, el efecto de sacrificio del agregado calcáreo es normalmente benéfico comparándose con el agregado silíceo en un ambiente de exposición a ácidos suaves o en áreas donde no haya agua fluyendo. Con los agregados calcáreos, el ácido ataca uniformemente toda la superficie expuesta del concreto, reduciendo la tasa de ataque de la pasta y previniendo la pérdida de las partículas de agregados en la superficie. Los agregados calcáreos también tienden a neutralizar al ácido, especialmente en sitios estancados. Los ácidos también pueden decolorar el concreto. Se deben evitar los agregados silíceos cuando

Resistencia y Contracción La resistencia del agregado raramente se ensaya y, generalmente, no influye en la resistencia del concreto convencional tanto cuanto la resistencia de la pasta y de la adherencia pasta-agregado. Sin embargo, la resistencia del agregado se vuelve importante en el concreto de alta resistencia. Los niveles de esfuerzos (tensiones) en el agregado son, frecuentemente, mucho mayores que la tensión promedia en toda la sección del concreto. Las resistencias a tensión (tracción) de los agregados varían de 20 a 150 kg/cm2 o de 2 a 15 MPa (300 a 2300 lb/pulg2) y la resistencia a compresión varía de 660 a 2750 kg/cm2 o de 65 a 270 MPa (10,000 a 40,000 lb/pulg2). La resistencia se puede medir de acuerdo con la ASTM C 170. Los diferentes tipos de agregados tienen compresibilidad, módulo de elasticidad, propiedades de contracción relacionada con humedad diferentes que pueden afectar las mismas propiedades del concreto. Los agregados con absorción elevada pueden tener alta contracción por secado. Los agregados de cuarzo y feldespato, 118


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto soluciones fuertes de hidróxido de sodio estén presentes, pues estas soluciones atacan este tipo de agregado. La lluvia ácida (frecuentemente con pH de 4 a 4.5) puede marcar levemente la superficie del concreto, normalmente sin afectar el desempeño de las estructuras de concreto expuestas. La lluvia extremamente ácida o condiciones con agua muy ácida pueden justificar diseños o precauciones especiales para el concreto, especialmente en áreas sumergidas. El abastecimiento continuo de ácido con pH de menos de 4, como ocurre en tuberías, se considera altamente agresivo y suficiente para quemar el concreto (Scanlon 1987). El concreto continuadamente expuesto a líquidos con pH menor que 3 se debe proteger de manera similar al concreto expuesto a soluciones ácidas diluidas (ACI 515.1R). Las aguas naturales normalmente tienen un pH mayor que 7 y raramente menor que 6. Las aguas con pH mayor que 6.5 pueden ser agresivas si contienen bicarbonatos. Las soluciones de ácido carbónico con concentraciones entre 0.9 y 3 partes por millón se consideran destructivas al concreto (ACI 515.1R y Kerkhoff 2001). Una relación agua-cemento baja, baja permeabilidad y un contenido de cemento de bajo a moderado pueden aumentar la resistencia a ácidos o la resistencia a corrosión del concreto. Una baja permeabilidad que resulte de una baja relación agua-cemento o el uso de humo de sílice u otras puzolanas, ayudan a evitar la penetración del agente corrosivo en el concreto. El contenido de cemento de bajo a moderado resulta en menos pasta susceptible al ataque. El uso de agregados calcáreos de sacrificio se debe considerar donde sea necesario. Ciertos ácidos, gases, sales y otras sustancias que no se mencionaron aquí también pueden desintegrar el concreto. Se debe evitar el contacto del concreto con ácidos y otros productos químicos que atacan severamente el concreto a través de recubrimientos protectivos (Kerkhoff 2001).

cambios de volumen inducidos por la temperatura, consulte el Capítulo 15 y para conductividad térmica y consideraciones sobre el concreto masivo, véase Capítulo 18.

MATERIALES POTENCIALMENTE PERJUDICIALES Las sustancias perjudiciales que pueden estar presentes en los agregados incluyen impurezas orgánicas, limo, arcilla, esquisto, óxido de hierro, carbón mineral, lignito y ciertas partículas ligeras y suaves (Tabla 5-7). Además, rocas y minerales, como el chert y el cuarzo deformado (Buck y Mather 1984) y ciertas calizas dolomíticas son reactivas con álcalis (Tabla 5-8). El yeso y la anhidrita pueden causar ataque de sulfatos. Ciertos agregados, como los esquistos causan erupciones por el hinchamiento (sencillamente por la absorción de agua) o por el congelamiento del agua absorbida (Fig. 5-18). La mayoría de las especificaciones limitan las cantidades permisibles de estas sustancias. La historia del comportamiento de un agregado debe ser un factor determinante para la elección de los límites para las sustancias perjudiciales. Los métodos de ensayo para la detección cualitativa y cuantitativamente de las sustancias perjudiciales se presentan en la Tabla 5-7. Los agregados son potencialmente peligrosos si contienen compuestos considerados químicamente reactivos con el concreto de cemento portland y si producen: (1) cambio significativo del volumen de la pasta, agregados o ambos, (2) interferencia en la hidratación normal del cemento y (3) otros productos secundarios dañinos. Las impurezas orgánicas pueden retrasar el fraguado y el endurecimiento del concreto, reducir el desarrollo de la resistencia y, en algunos casos poco usuales, causar la deterioración. Las impurezas orgánicas, como las turbas, los humus y las margas orgánicas pueden no ser tan perjudiciales, pero se los deben evitar. Los materiales más finos que 75 µm (tamiz No. 200), especialmente el limo y la arcilla, pueden estar presentes como polvo suelto y pueden formar un revestimiento en las partículas de agregados. Incluso hasta los revestimientos finos de limo o arcilla, sobre las partículas de agregado grueso, pueden ser dañosos, pues debilitan la adherencia entre la pasta de cemento y el agregado. Si ciertos tipos de limo o arcilla están presentes en cantidades excesivas, la demanda de agua puede aumentar significantemente. Hay una tendencia de algunos agregados finos en degradarse por la acción de molienda en la mezcladora de concreto. Este efecto, que se mide por la ASTM C 1137, puede alterar la demanda de agua de mezcla, de aire incluido y los requisitos de revenimiento (asentamiento). El carbón mineral o el lignito u otros materiales de baja densidad como la madera y los materiales fibrosos, cuando presentes en grandes cantidades, afectan la durabilidad del concreto. Si estas impurezas ocurren en la superficie o cerca de ella, se pueden desintegrar, causar erupciones o manchas. Los cherts potencialmente dañinos en el agre-

Resistencia al Fuego y Propiedades Térmicas La resistencia al fuego y las propiedades térmicas del concreto – conductividad, difusibilidad y coeficiente térmico de expansión – dependen hasta un cierto punto de los constituyentes minerales de los agregados empleados. Los agregados ligeros manufacturados y algunos de los naturales son más resistentes al fuego que los agregados de peso normal debido a sus propiedades aislantes y su estabilidad en temperaturas elevadas. Los concretos que contienen agregado grueso calcáreo tienen un comportamiento mejor, bajo la exposición al fuego, que los concretos que contienen cuarzo o agregados silíceos, tales como los granitos y cuarcita. A aproximadamente 590°C (1060°F), el cuarzo expande 0.85%, causando una expansión perjudicial (ACI 216 y ACI 221). El coeficiente térmico de expansión de los agregados varía de 0.55 x 10-6 por °C a 5 x 10-6 por °C (1 x 10-6 por °F a 9 x 10-6 por °F). Para más información sobre 119


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 5-7. Materiales Perjudiciales en Agregados Sustancia Efecto en el concreto Impurezas orgánicas Afecta el tiempo de fraguado y el endurecimiento, puede causar deterioración. ASTM C 40 (AASHTO T 21), COVENIN 0256, NCh166, NMX-C-088-1997-ONNCCE, NTC 127, NTP 400.024, UNIT-NM 49 ASTM C87 (AASHTO T 71), COVENIN 0275, IRAM 1647, NMX-C-07, NTC 579, NTP 400.013, Material más fino que 75 µm (tamiz No. 200) Afecta adherencia, aumenta la demanda de agua ASTM C 117 (AASHTO T 11), IRAM 1540, NMX-C-084, NCh1223, NTC 78, NTE 0697, NTP 400.018, UNIT-NM 46 Carbón, lignito u otro material ligero Afecta la durabilidad, puede causar manchas y erupciones. ASTM C 123 (AASHTO T 113), COVENIN 0260, NMX-C-072-1997-ONNCCE, NTC 130, NTE 0699, NTP 400.023, UNIT-NM 31 Partículas blandas Afecta la durabilidad ASTM C 235, IRAM 1644, UNIT-NM 32 Terrones de arcilla y partículas desmenuzables Afecta la trabajabilidad y la durabilidad, puede causar erupciones ASTM C 142 (AASHTO T 112), COVENIN 0257, IRAM 1647, NMX-C-071, NCh1327, NTC 589, NTE 0698, NTP 400.015, UNIT-NM 44 Chert con densidad relativa menor que 2.40 Afecta la durabilidad, puede causar erupciones ASTM C 123 (AASHTO T 113), COVENIN 0260, NMX-C-072-1997-ONNCCE, NTC 130, NTE 0699, NTP 400.023, UNIT-NM 31 ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54 Agregados reactivos con los álcalis Causa expansión anormal, afogarado ("viboritas", acocodrilamiento, piel de cocodrilo) ASTM C 227, COVENIN 0276, IRAM 1637, NMX-C-180, NTC 3828, NTP 334.113, NTP 334.067 ASTM C 289, NTC 175, NTP 334.099 ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54 ASTM C 342, NMX-C-282 ASTM C 586, COVENIN 1303, ASTM C 1260 (AASHTO T 303), IRAM 1674, NMX-C-298, NTP 334.110, UNIT 1038 ASTM C 1293, IRAM 1700

Tabla 5-8. Algunos Minerales Reactivos Potencialmente Perjudiciales y Materiales Sintéticos

Sustancias reactivas álcali-sílice* Andesitas Argilitas Calcedonia Cherts Cherts calcedónicos Ciertas calizas silíceas y dolomitas Cristobalita Cuarcitas Cuarzo deformado y otras formas de cuarzo Cuarzosas Dacita

Esquistos Filitas Gneis granítico Grauvacas Material volcánico vitrificado o criptocristalino Metagrauvacas Ópalo Pizarras opalinas Pizarras silícicas Riolitas Vidrio silícico natural y sintético Tridmita

Sustancias reactivas álcali-carbonato** Calizas dolomíticas Dolomitas calcíticas Dolomitas finamente granuladas

Fig. 5-18. La erupción es el desprendimiento de un pequeño fragmento de la superficie de concreto debido a la presión interna, que deja una depresión típicamente cónica y poco profunda. (113)

* Varias rocas listadas (por ejemplo, granito, gneis y ciertas formaciones de cuarzo) reaccionan muy lentamente y tal vez no enseñen evidencias de cualquier grado nocivo de reactividad hasta que el concreto tenga más de 20 años de edad. ** Sólo algunas fuentes de estos materiales han mostrado reactividad.

Las partículas blandas en el agregado grueso son especialmente indeseables pues pueden causar erupciones y pueden afectar la durabilidad y la resistencia al desgaste del concreto. Si son desmenuzables, se pueden romper y aumentar, aun más, la demanda de agua. Donde la resistencia a la abrasión sea importante, como en los pisos industriales, los ensayos pueden indicar que se justifica una investigación u otra fuente de agregados.

gado grueso se pueden identificar a través de las normas ASTM C 123 (AASHTO T 113), COVENIN 0260, NMX-C072-1997-ONNCCE, NTC 130, NTE 0699, NTP 400.023, UNIT-NM 31. 120


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto Los terrones de arcilla en el concreto pueden absorber parte del agua de mezcla, causar erupciones en el concreto endurecido y afectar la durabilidad y la resistencia al desgaste. También se pueden fracturar durante el mezclado y, como consecuencia, aumentar la demanda de agua. Los agregados pueden eventualmente contener partículas de óxido de hierro y sulfuro de hierro que resultan en manchas antiestéticas sobre las superficies expuestas del concreto (Fig. 5-19). El agregado debe cumplir con los requisitos de manchado de la ASTM C 330 (AASHTO M 195), cuando ensayados conforme la ASTM C 641 o cumplir con COVENIN 1895, IRAM 1688, NMX-C-348, Fig. 5-19. Mancha de óxido de hierro provocada por NMX-C-299, NTC 4045, impurezas en el agregado. UNIT-NM 35 y la frente de la (70024) cantera y las pilas del material no deben presentar manchas. Se puede sumergir el agregado en una lechada de cal para ayudar en la identificación de manchas. Si las partículas que provocan manchado están presentes, se forma un precipitado gelatinoso verde azulado en un periodo de 5 a 10 minutos, que rápidamente se vuelve marrón al ser expuesto al aire y a la luz. La reacción se debe completar en 30 minutos. Si no se forma el precipitado gelatinoso marrón cuando se coloca el agregado en la lechada, existe poca probabilidad de que ocurra cualquier reacción en el concreto. Estos ensayos son necesarios cuando se usan agregados sin ningún registro de empleo anterior en concreto arquitectónico bien sucedido.

• La mayoría de los agregados son estables en concreto de cemento hidráulico. • Agregados con buenos registros de servicio son abundantes en muchas áreas. • La mayoría de los concretos en servicio están suficientemente secos para inhibir RAS. • En muchas mezclas de concreto, el contenido de álcalis del concreto es suficientemente bajo para controlar la RAS. • Algunas formas de RAS no producen expansión nociva significante. Para reducir el potencial de la RAS se hace necesario entender su mecanismo, usar adecuadamente los ensayos para identificar los agregados potencialmente reactivos y, si necesario, tomar precauciones para minimizar el potencial de expansión y el agrietamiento resultante.

Reacción Álcali-Sílice Síntomas Visuales de la Expansión por RAS. Los indicadores de RAS pueden ser: red de grietas (Fig. 5-20), juntas cerradas o lascadas, desplazamiento relativo de diferentes partes de la estructura o el aparecimiento de

REACTIVIDAD ÁLCALI-AGREGADO Los agregados que contienen ciertos constituyentes pueden reaccionar con los hidróxidos alcalinos en el concreto. La reactividad es potencialmente perjudicial sólo cuando produce una expansión significativa (Mather 1975). Esta reactividad álcali-agregado (RAA) se presenta en dos formas—reacción álcali-sílice (RAS) y reacción álcalicarbonato (RAC). La RAS es más preocupante que la RAC porque la ocurrencia de agregados que contienen minerales reactivos de sílice es más común. Los agregados de carbonatos reactivos con álcalis tienen una composición específica que no es muy común. La reactividad álcali-sílice se ha reconocido como una fuente potencial de deterioración desde finales de los años 30 (Stanton 1940 y PCA 1940). A pesar de que existan agregados reactivos en toda América Latina y EE.UU., la ocurrencia de RAS no es tan común. Existen muchas razones para esto:

Fig. 5-20. (Superior e inferior). Fisuración del concreto debido a la reacción álcali-agregado. (69549, 58352) 121


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

erupciones en la superficie (Fig. 5-21). Como el deterioro por RAS es lento, el riesgo de la falla catastrófica es bajo. La RAS puede causar problemas de funcionalidad o utilización y puede exacerbar otros mecanismos de deterioración, como aquéllos que ocurren en la exposición a congelación, a descongelantes y a sulfatos.

siva como una partícula de agregado reconocidamente reactivo que se haya reemplazado parcialmente por el gel. El gel puede estar presente en las fisuras y vacíos y también puede estar presente como un anillo alrededor de los bordes de las partículas de agregado. Una red interna de grietas, conectando las partículas de agregado reactivo, es una indicación casi segura de que la RAS es responsable por el agrietamiento. El examen petrográfico (ASTM C 856) es el método más seguro para la identificación del gel de RAS en concreto (Powers 1999). La petrografía, cuando se la usa para estudiar una reacción conocida, puede confirmar la presencia de los productos de reacción y verificar la RAS como la causa principal del deterioro (Fig. 5-22).

Fig. 5-21. Erupciones causadas por RAS de partículas del tamaño de la arena. La foto interna enseña un primer plano de la erupción. (51117, 51118)

Mecanismo de la RAS. La reacción álcali-sílice forma un gel que se hincha cuando absorbe agua de la pasta de cemento de su alrededor. Los productos de la reacción de RAS tienen una gran afinidad con la humedad. Este gel, al absorber agua, puede inducir presión, expansión y fisuración del agregado y de la pasta. La reacción se puede visualizar en dos etapas: 1. Hidróxido alcalino + gel de sílice reactiva → producto de la reacción (gel álcali-sílice) 2. Gel del producto de la reacción + humedad → expansión La cantidad de gel que se forma en el concreto depende de la cantidad y del tipo de sílice y concentración del hidróxido alcalino. La presencia de gel ni siempre coincide con el daño y, por lo tanto, la presencia de gel no indica necesariamente la ocurrencia de RAS. Factores que Afectan la RAS. Para que la RAS ocurra, tres condiciones deben estar presentes: 1. Una forma reactiva de sílice en el agregado, 2. Una solución en el poro altamente alcalina (pH) y 3. Humedad suficiente. Si una de estas condiciones está ausente, la reacción RAS no puede ocurrir. Métodos de Ensayo para Identificar el Daño por RAS. Es importante que se distinga entre la reacción y el daño resultante de la reacción. En el diagnóstico de la deterioración del concreto, es más probable que se identifique el gel, pero, en algunos casos, se forma una cantidad significativa de gel sin haber daño al concreto. Para que se determine que la RAS es la causa del daño, se debe verificar la presencia del gel nocivo. Se puede definir el lugar de la reacción expan-

Fig. 5-22. Vista de una sección pulida de un agregado reactivo con álcalis en el concreto. Obsérvese la reacción álcali-sílice que contorna el agregado reactivo y la formación de fisuras. (43090)

Control de la RAS en el Concreto Nuevo. La mejor manera de evitar la RAS es tomar precauciones apropiadas antes de la colocación del concreto. Las especificaciones de norma pueden requerir modificaciones para tratar de RAS. Estas modificaciones se deben establecer cuidadosamente para evitar que se limiten las opciones de los productores de concreto. Esto permite un análisis cuidadoso de los materiales cementantes y agregados y la elección de la estrategia de control que mejore la eficiencia y la economía de los materiales elegidos. Si la identificación histórica o los ensayos muestran que el agregado no es reactivo, no se necesitan de requisitos especiales. Identificación de los Agregados Potencialmente Reactivos. El comportamiento histórico en campo es el mejor medio de evaluarse la susceptibilidad de un agregado a la RAS. Para una evaluación más definitiva, el concreto existente debe estar en servicio, por lo menos, por 15 años. Se deben hacer las comparaciones entre el concreto existente y las proporciones de mezcla del concreto propuesto, sus ingredientes y el ambiente de servicio. Este proceso debe decir si se hacen necesarios requisitos especiales o si son necesarios ensayos de los agregados o del concreto. Los de métodos de ensayo más nuevos y rápidos se pueden utilizar para la investigación inicial. Cuando aparezcan incertidumbres, se deben usar ensayos más demorados para confirmar los resultados. La Tabla 5-9 describe dife122


Determinar el potencial de reactividad de agregados silícicos

123

Presentar una nomenclatura descriptiva de los más comunes e importantes minerales naturales – ayudar a determinar su comportamiento

Identificación visual

Muestra reaccionada con solución alcalina a 80°C (176°F)

Presentar un perfil de los procedimientos de examen petrográfico de agregados – ayudar a determinar su comportamiento

Examen visual y microscópico de muestras preparadas – análisis granulométrico, microscopia y rajado

ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773, UNIT-NM 54

Examen petrográfico de agregados para concreto

ASTM C 294, IRAM 1517, NMX-C-305, UNIT-NM 66

Constituyentes de los agregados minerales naturales

ASTM C 289, NTC 175, NTP 334.099

Reactividad potencial álcali-sílice de los agregados (método químico)

Varios con conocimiento de la cantera: testigos de 53 a 100 mm de diámetro (21⁄8 a 4 pulg.) 45 kg (100 lb) o 300 piezas, o 2 kg (4 lb)

Varios, pero deben ser representativos de toda la fuente

Tres muestras de 25 gramas de agregado triturado y tamizado

Corta duración – el examen visual no involucra periodos largos de ensayo

Corta duración – lo que sea necesario para examinar visualmente la muestra

24 horas

Varias: primera medida a los 14 días, entonces a 1, 2, 3, 4, 6, 9 y 12 meses. Después de esto a cada 6 meses, si necesario.

Por lo menos 4 barras de mortero con dimensión estándar 25 x 25 x 285 mm (1 x 1 x 111⁄4 pulg.)

Barras de mortero almacenadas sobre agua a 37.8°C (100°F) y alta humedad relativa

Ensayar la susceptibilidad de las combinaciones cementoagregado a las reacciones expansivas involucrando álcalis

Reactividad potencial a álcalis de combinaciones de cementoagregado (método de la barra de mortero)

ASTM C 227, COVENIN 0276, IRAM 1637, NMX-C-180, NTC 3828, NTP 334.113, NTP 334.067

Duración del ensayo

Tipo de muestra

Tipo de ensayo

Propósito

Ensayo

Tabla 5-9. Métodos de Ensayo para la Reactividad Álcali-Sílice (Farny y Kosmatka 1997)

No se aplica

Puntos del gráfico que se encuentren en el área deletérea o potencialmente deletérea

Expansión máxima de 0.10% en 6 meses y de 0.05% en 3 meses.

Criterio

Características de las No se aplica partículas, tales como forma, tamaño, textura, color, composición mineralógica y condición física.

Descripción del tipo y de la proporción de los minerales en el agregado

Disminución de la alcalinidad y de la cantidad de sílice en la solución

Cambio de longitud

Medida

Normalmente incluye microscopia óptica. También puede incluir análisis DRX, análisis térmico diferencial o espectroscopia – véase C 294 (IRAM 1517, NMX-C-305, UNIT-NM 66) para la nomenclatura descriptiva.

Estas descripciones se usan para caracterizar minerales naturales que están presentes en las fuentes más comunes de agregado.

Resultados rápidos. Algunos agregados presentan baja expansión aún cuando tienen alto contenido de sílice. No es confiable.

El ensayo puede no producir expansión significante, especialmente para el agregado de carbonato. Ensayo de larga duración. Expansiones pueden no ser de una reacción álcali-agregado.

Comentarios

Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto


124

Determinar la eficiencia de los materiales cementantes suplementarios en el control de la expansión debida a RAS

ASTM C 856

Examen petrográfico del concreto endurecido

Presentar un perfil de los procedimientos de examen petrográfico del concreto endurecido-útil en la determinación de las condiciones y del desempeño

Examen Visual (sin aumento) y microscópico de muestras preparadas

ASTM C 441, IRAM 1648, NMX-C-298, NTC 3828, NTP 334.110

Eficiencia de puzolanas o escoria granulada de alto horno en la prevención de la expansión excesiva del concreto resultante de la reacción álcali-sílice

Barras de mortero –usando vidrio pirex como agregado – almacenadas sobre agua a 37.8°C (100°F) y alta humedad relativa

Por lo menos un testigo con 150 mm de diámetro por 300 mm de longitud (6 pulg x 12 pulg.)

Por lo menos tres barras de mortero y también tres barras de mortero de la mezcla de control

Tres barras de mortero por combinación cemento-agregado con dimensiones estándar: 25 x 25 x 285 mm (1 x 1 x 111⁄4 pulg.)

Barras de mortero almacenadas a 23°C (73.4°F) y alta humedad relativa

Determinar el potencial de la expansión por RAS de combinaciones de cementoagregado

Cambio de volumen potencial de combinaciones de cemento-agregado

Corta duración – incluye preparación de las muestras y examen visual y microscópico

Varias: primera medida a los 14 días, entonces a 1, 2, 3, 4, 6, 9 y 12 meses. Después de esto a cada 6 meses, se necesario.

52 semanas

Duración del ensayo

¿Se sabe que el agregado es reactivo? Orientación y geometría de las fisuras. ¿Hay algún gel presente?

Cambio de volumen

Cambio de volumen

Medida

Véase medidas – este examen determina si la RAS ocurre y sus efectos sobre el concreto. Usado en conjunto con otros ensayos

Por la ASTM C 989, reducción mínima de 75% de la expansión o 0.200% de expansión máxima o por la C 618, comparable con el control de bajo álcalis

El agregado es insatisfactorio si su expansión es igual o mayor que 0.200% en 1 año

Criterio

Las probetas se pueden examinar con estereomicroscopio, microscopio polarizador, microscopio metalográfico y microscopio electrónico de barrido.

El agregado artificial altamente reactivo puede no representar las condiciones reales del agregado. Pirex contiene álcalis.

Se usa principalmente para agregados de Oklahoma, Kansas, Nebraska e Iowa.

Comentarios

ASTM C 342, NMX-C-282

Tipo de muestra

Tipo de ensayo

Propósito

Ensayo

Tabla 5-9. Métodos de Ensayo para la Reactividad Álcali-Sílice (Continuación)

Diseño y Control de Mezclas de Concreto EB201


Propósito

Identificar los productos de RAS en el concreto endurecido

Tipo de ensayo

Inmersión de barras de mortero en una solución alcalina a 80°C (176°F)

Reactividad potencial a álcalis de agregados (método de la barra de mortero)

125

Tipo de muestra

Por lo menos tres barras de mortero

Varios: testigo con superficie esmerilada o con la superficie rota

Varios: testigo con superficie esmerilada o con la superficie rota

Determinar el potencial de la expansión por RAS de combinaciones cementoagregado

Determinar el potencial de la expansión por RAS de combinaciones cemento-agregado

ASTM C 1293 modificado

Ensayo acelerado del prisma de concreto

ASTM C 1293, IRAM 1700

Determinación del cambio de longitud debido a la reacción álcali-sílice (ensayo del prisma de concreto)

Prismas de concreto almacenados sobre agua a 60°C (140°F)

Prismas de concreto almacenados sobre agua a 38°C (100.4°F)

Tres prismas por combinación cemento-agregado con dimensiones estándar: 75 x 75 x 285 mm (3 x 3 x 111⁄4 pulg.)

Tres prismas por combinación cemento-agregado con dimensiones estándar: 75 x 75 x 285 mm (3 x 3 x 111⁄4 pulg.)

ASTM C 1260 (AASHTO T 303), IRAM 1674, NMX-C-298, NTP 334.110, UNIT 1038

Ensayar el potencial de la reacción álcalisílice deletérea de agregados en barras de mortero

Manchado de la superficie de concreto recién expuesta a dos tipos de reactivos

Manchado de la superficie de concreto recién expuesta y vista bajo luz UV

Método de manchado Identificar los producLos Alamos tos de RAS en el (Powers 1999) concreto endurecido

ASTM C 856 (AASHTO T 299)

Procedimiento de tratamiento con uranilo-acetato

Ensayo

3 meses (91 días)

Varias: primera medida a los 7 días, entonces a los 28 días y 56 días, 3, 6, 9 y 12 meses. Después de esto a cada 6 meses, se necesario.

16 días

Resultados inmediatos

Resultados inmediatos

Duración del ensayo

Tabla 5-9. Métodos de Ensayo para la Reactividad Álcali-Sílice (Continuación) Medida

Cambio de volumen

Cambio de volumen

Cambio de volumen

Color de la mancha

Intensidad de la fluorescencia

Criterio

La reacción es potencialmente deletérea si la expansión se iguala o supera a 0.04% a 91 días

Por el apéndice X1 de la ASTM C 1293, el agregado es potencialmente reactivo si la expansión es igual o superior a 0.04% en un año

Si es mayor que 0.10%, consulte los procedimientos de ensayo complementarios; si es mayor que 0.20%, indica un potencial de reacción deletérea expansiva

Manchas rosa oscuro corresponde al gel de RAS e indica una etapa avanzada de degradación

Falta de fluorescencia

Comentarios

Una alternativa rápida para ASTM C 277. Buena correlación con ASTM C 227 para rocas carbonáticas y sedimentarias.

Requiere una larga duración de ensayo para obtenerse resultados significativos. Se usa como complemento para la ASTM C 277, C 295, C 289 y C 1260. Similar a CSA A23.2-14A.

Una alternativa bien rápida para el ASTM C 277.Útil para agregados con reactividad lenta o aquéllos que producen expansión retardada en la reacción.

Identifica pequeñas cantidades de gel de RAS aún que no causen expansión. Ópalo, un agregado natural, y la pasta carbonatada pueden brillar – interprete los resultados adecuadamente. Los ensayos se deben complementar con examen petrográfico y ensayos físicos para determinar la expansión del concreto.

Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

rentes métodos de ensayos usados para evaluar la reactividad álcali-agregado potencial. Estos ensayos no se deben usar para descalificar el uso de un agregado potencialmente reactivo, pues los agregados reactivos se pueden usar sin problemas con la elección cuidadosa de los materiales cementantes, como se discute a seguir.

1674, NMX-C-298, NTP 334.110, UNIT 1038 o ASTM C 1293, IRAM 1700. Cuando aplicable, se deben ensayar cantidades diferentes de puzolanas o escorias para que se determine la dosis ideal. La expansión normalmente disminuye con el aumento de la dosis de puzolana o escoria (Fig. 5-23). Los aditivos a base de litio también están disponibles para el control de RAS. El ablandamiento con caliza (término popular para el reemplazo de aproximadamente 30% del agregado reactivo por un agregado de grava-arena reactivo por caliza triturada) es eficiente en el control de la deterioración en algunos concretos con agregado de arena-grava. Consulte AASHTO (2001), Farny y Kosmatka (1997) y PCA (1998) para más información sobre los ensayos para la determinación de la eficiencia de las medidas descritas anteriormente.

Materiales y Métodos para Control de la RAS. El medio más eficiente de control de la expansión causada por la RAS es el diseño de mezclas especiales, preferentemente con el uso de materiales disponibles en el local. Las siguientes opciones no se listan en orden prioritaria y, aunque normalmente no sean necesarias, se las pueden utilizar en combinación de una con la otra. En América del Norte, las prácticas actuales incluyen el uso de materiales cementantes suplementarios o cementos mezclados (adicionados) que, comprobado a través de ensayos, controlan o limitan el contenido de álcalis en el concreto. Los materiales cementantes suplementarios incluyen ceniza volante, escoria granulada de alto horno, humo de sílice y puzolanas naturales. Los cementos mezclados usan escoria, ceniza volante, humo de sílice y puzolanas naturales para controlar la RAS. El cemento con bajo contenido de álcalis (ASTM C 150, NCR 40, NMX-C414 y NTP 334.009), inferior a 0.60% (óxido de sodio equivalente) se puede usar para controlar la RAS. Su empleo ha sido bien sucedido con agregados ligera o medianamente reactivos. Sin embargo, los cementos con bajo contenido de álcalis no están disponibles en todas las regiones. Por lo tanto, se prefiere la utilización de los cementos disponibles en el local en combinación con puzolanas, escorias o cementos adicionados para controlar la RAS. Cuando las puzolanas, escorias o cementos adicionados se usan para controlar la RAS, su eficiencia se debe determinar a través de ensayos tales como ASTM C 1260 (modificado), IRAM

Reacción Álcali-Carbonato Mecanismo de la RAC. Las reacciones que se observan en ciertas rocas dolomíticas están asociadas con la reacción álcali-carbonato (RAC). Las rocas reactivas contienen cristales grandes de dolomita dispersos y rodeados por una matriz de granos finos de calcita y arcilla. La calcita es una de las formas minerales del carbonato de calcio y la dolomita es el nombre común para el carbonato de calciomagnesio. La RAC es relativamente rara porque los agregados susceptibles a esta reacción normalmente no son apropiados para el uso en concreto por otras razones, tales como la resistencia potencial. Las calizas dolomíticas arcillosas contienen calcita y dolomita con cantidades apreciables de arcilla y pueden contener pequeñas cantidades de sílice reactiva. La reactividad a álcalis de las rocas carbonáticas normalmente no depende de la composición mineralógica de la arcilla (Hadley 1961). Los agregados tienen un potencial para la RAC expansiva si están presentes las siguientes características litológicas (Ozol 1994 y Swenson 1967): • Contenido de arcilla, o residuo insoluble, en el rango del 5% al 25%; • Relación entre calcita y dolomita de aproximadamente 1:1; • Aumento en el volumen de la dolomita hasta el punto que la textura entrelazada se vuelva un factor de restricción y • Cristales dolomíticos discontinuos de pequeño tamaño dispersos en la matriz de arcilla.

0.3 Agregado de Sudbury

Expansión a los 14 días, %

0.25

0.2

El límite de 0.10% de expansión para la evaluación de los materiales cementantes suplementarios contra RAA

0.15

0.1

Dedolomitización. La dedolomitización, o la ruptura de la dolomita, se asocia normalmente con la RAC expansiva (Hadley 1961). El concreto que contiene dolomita y se expandió también contiene brucita (hidróxido de magnesio, Mg(OH)2), que se forma por la dedolomitización. La dedolomitización prosigue de acuerdo con la siguiente ecuación (Ozol 1994): CaMgCO3 (dolomita)+ solución de hidróxido de alcalino → MgOH2 (brucita) + CaCO3 (carbonato de calcio) + K2CO3 (carbonato de potasio) + hidróxido alcalino

0.05

0 20 30 56 Control % Ceniza volante

35

50 65 % Escoria

7.5 10 12.5 % Humo de sílice

Fig. 5-23. Influencia en la expansión de la barra de mortero (ASTM C 1260) de diferentes cantidades de ceniza volante, escoria y humo de sílice con relación a la masa de material cementante después de 14 días, al usarse agregado reactivo (Fournier 1997). 126


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto La reacción de dedolomitización y la cristalización subsiguiente de la brucita pueden causar una expansión considerable. La expansión causada directa o indirectamente por la dedolomitización frecuentemente es un prerrequisito para otros procesos expansivos (Tang, Deng y Lon 1994).

La trituración también se usa para remover las partículas blandas y desmenuzables de los agregados gruesos. Este proceso es, algunas veces, el único medio de hacer con que se pueda utilizar este material. Infelizmente, en cualquier proceso, parte del material aceptable algunas veces se pierde y la remoción de las partículas dañinas puede ser difícil y costosa.

Métodos de Ensayo para la Identificación de los Daños por RAC. Los tres métodos normalmente usados para la identificación de la reactividad potencial álcali-carbonato de los agregados son: • Examen petrográfico (ASTM C 295); • Método del cilindro de roca (ASTM C 586) y • Ensayo del prisma de concreto (ASTM C 1105).

MANOSEO Y ALMACENAMIENTO DE AGREGADOS Los agregados se deben manosear y almacenar de manera que se minimicen la segregación y la degradación y que se prevenga la contaminación con sustancias deletéreas (Fig. 5-24). Las pilas se deben construir en capas finas de espesor uniforme para minimizar la segregación. El método más económico y aceptable de formación de pilas de agregados es el método de volteo con camión, que descarga el cargamento de manera que no se lo separe. Entonces, se recupera el agregado con un cargador frontal. El cargador debe remover porciones de los bordes de la pila desde la parte inferior hacia la parte superior, de manera que cada porción contenga una parte de cada capa horizontal. Cuando no se entregan los agregados en camiones, resultados aceptables y económicos se pueden obtener con la formación de pilas en capas con un cucharón de quijadas (método de tirar y extender). En el caso de agregados no sujetos a degradación, se pueden tender los agregados con un tractor de neumático (llantas) de caucho y recuperar con un cargador frontal. Al tender el material en capas finas, la segregación se minimiza. Sea el manoseo con camión, con cargador, con cucharón de quijadas o estera transportadora, no se deben construir pilas altas en forma de cono, pues resultan en segregación. Sin embargo, si las circunstancias demandan la construcción de pilas cónicas, o si las pilas se han segregado, las variaciones de la granulometría se pueden disminuir cuando se recupera la pila. En estos

Materiales y Métodos de Control de RAC. El agregado susceptible a RAC tiene una composición específica que se identifica fácilmente por los ensayos petrográficos. Si la roca indica susceptibilidad a RAC, se pueden tomar las siguientes precauciones: • Cantera seleccionada para evitar completamente la reacción del agregado; • Agregado mezclado de acuerdo con el apéndice de la ASTM C 1105 o • Limitar el tamaño del agregado al menor posible. El cemento de bajo contenido de álcalis y las puzolanas no son generalmente muy efectivos en el control de la RAC expansiva.

BENEFICIO DE AGREGADOS El procesamiento del agregado consiste en: (1) procesamiento básico – trituración, tamizado y lavado – para obtener la granulometría y la limpieza adecuadas y (2) beneficio – mejoramiento de la calidad a través de métodos de procesamiento, tales como separación en un medio pesado, tamizado con agua, clasificación por corriente ascendiente y trituración. En la separación en medio pesado, los agregados pasan a través de un líquido pesado compuesto de minerales pesados finamente granulados y agua, proporcionado para tener una densidad relativa (gravedad específica) menor que las partículas de agregado deseadas pero mayor que las partículas dañinas. Las partículas más pesadas se hunden en el fondo mientras que las partículas más livianas flotan en la superficie. Este proceso se puede usar cuando las partículas aceptables y las dañinas tienen densidades relativas muy diferentes. El tamizado separa las partículas con pequeñas diferencias de densidades pulsando una corriente de agua. Las pulsaciones de agua hacia arriba a través de un tamiz (una caja con el fondo perforado) mueven el material más ligero para formar una capa sobre el material más pesado. Entonces, se remueve la capa de arriba. La clasificación por corriente ascendiente separa las partículas con grandes diferencias de densidad. Los materiales ligeros, como la madera y el lignito, flotan en una rápida corriente ascendiente de agua.

Fig. 5-24. Pila de agregados en una planta de concreto premezclado. (69552) 127


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 resultar en vacíos en el concreto y disminución de la resistencia a compresión. Los agregados dragados del mar frecuentemente contienen sal. Las sales principales son el cloruro de sodio y el sulfato de magnesio y la cantidad de sal en los agregados es frecuentemente mayor que 1% de la masa del agua de mezcla. El mayor contenido de sal ocurre en las arenas que se encuentran justo encima del nivel de la marea alta. El uso de estos agregados junto con el agua de mezcla potable normalmente contribuye con menos sal a la mezcla que el uso de agua del mar (como agua de mezcla) con agregados libres de sal. Los agregados marinos pueden ser una fuente apreciable de cloruros. La presencia de estos cloruros puede afectar el concreto: (1) alterando el tiempo de fraguado, (2) aumentando la retracción por secado, (3) aumentando significantemente el riesgo de corrosión del acero de refuerzo (armadura) y (4) causando eflorescencia. Generalmente, los agregados marinos que contengan grandes cantidades de cloruros no se deben usar en el concreto reforzado (armado). Los agregados dragados del mar se pueden lavar con agua fresca para reducir el contenido de sal. No hay un límite máximo de contenido de sal de los agregados fino y grueso, pero, sin embargo, los límites de cloruros presentados en el Capítulo 9 se deben seguir.

casos, los agregados se deben cargar con un movimiento continuo alrededor de la pila para que se mezclen los tamaños, en vez de comenzar en un lado y trabajar en línea recta a través de la pila. Los agregados triturados segregan menos que los agregados redondeados (grava) y los agregados mayores segregan más que los agregados menores. Para evitar la segregación del agregado grueso, las fracciones de tamaño se pueden amontonar y dosificar separadamente. Sin embargo, los procedimientos de amontonamiento adecuados, deben eliminar esta necesidad. Las especificaciones ofrecen un rango de las cantidades permitidas de material en cada fracción debido a la segregación en las operaciones de amontonamiento y dosificación. Los agregados que han sido lavados se deben amontonar con anticipación suficiente para que se drenen, hasta una humedad uniforme, antes de su uso. El material fino húmedo tiene una tendencia menor para segregar que el material seco. Cuando el agregado fino seco se descarga en los cubos o esteras transportadoras, el viento puede llevarse los finos. Esto se debe evitar al máximo. Las mamparas o las divisiones se deben usar para evitar la contaminación de las pilas de agregados. Las divisiones entre las pilas deben ser suficientemente altas para prevenir el mezclado de los materiales. Los depósitos de almacenamiento deben ser circulares o casi cuadrados. Su fondo debe tener una inclinación mayor que 50 grados con la horizontal en todos los lados hasta un escurridero central. Al cargarse el depósito, el material debe caer verticalmente sobre el escurridero dentro del depósito. El vaciado del material dentro del depósito en un ángulo y contra los lados del depósito causará segregación. Las placas de desviación o divisores ayudarán a minimizar la segregación. El depósito se debe mantener lleno si posible, pues reduce la rotura de las partículas de agregados y la tendencia de segregación. Los métodos recomendados de manoseo y almacenamiento de agregados se discuten profundadamente en Matthews (1965 a 1967), NCHRP (1967) y Bureau of Reclamation (1981).

AGREGADOS DE CONCRETO RECICLADO En los últimos años, el concepto del uso de concreto viejo de pavimentos, edificios y otras estructuras como fuente de agregados se ha indicado en muchos proyectos, resultando en ahorro de material y energía (ECCO 1999). El procedimiento involucra: (1) demoler y remover el concreto viejo, (2) trituración en los trituradores primarios y secundarios (Fig. 5-25), (3) remoción del acero de refuerzo y otros artículos embebidos, (4) graduado y lavado y (5) finalmente

AGREGADO DRAGADO DEL MAR Los materiales dragados del mar, de los estuarios de las mareas y la arena y grava del litoral se pueden usar con prudencia en algunas aplicaciones de concreto cuando otras fuentes de agregados no estén disponibles. Los agregados obtenidos del mar tienen dos problemas: (1) las conchas marinas y (2) la sal. Las conchas marinas pueden estar presentes en la fuente de agregado. Estas conchas son un material duro que puede producir un concreto de buena calidad, pero, sin embargo, la demanda de cemento puede aumentar. También, debido a su angularidad, se requiere pasta adicional de cemento para que se obtenga la trabajabilidad deseable. Los agregados conteniendo conchas completas (no trituradas) se deben evitar pues su presencia puede

Fig. 5-25. El concreto con cantidades elevadas de refuerzo se trituran con un triturador de vigas. (69779) 128


Capítulo 5 ◆ Agregados para Concreto

Absorción de agua en % de la masa

12 10 8 6 4 2 0

Fig. 5-26. Pila de agregado de concreto reciclado. (69813)

150 µm a 4.75 mm (No. 100 a No. 4)

2.36 mm a 9.5 mm (No. 8 a 3/8 pulg.)

4.75 mm a 19 mm (No. 4 a 3/4 pulg.)

2.36 mm a 9.5 mm (No. 8 a 3/8 pulg.)

2.36 mm a 9.5 mm (No. 8 a 3/8 pulg.)

Natural

Ligero

Reciclado

amontonamiento de los agregados fino y grueso resultantes (Fig. 5-26). Se debe evitar que el producto final se contamine con polvo, yeso, madera y otros materiales extraños. El concreto reciclado es simplemente el concreto viejo que se trituró para producir agregado. El agregado de concreto reciclado se usa principalmente en la reconstrucción de pavimentos. Se lo ha usado satisfactoriamente como un agregado en subbases granulares, subbases de concreto magro, suelo-cemento y en el concreto nuevo como la única fuente o como reemplazo parcial del agregado nuevo. El agregado de concreto reciclado generalmente tiene una mayor absorción y una gravedad específica menor que el agregado convencional. Esto resulta de la alta absorción del mortero poroso y de la pasta de cemento endurecido en el agregado de concreto reciclado. Los valores de absorción típicamente varían del 3% al 10%, dependiendo del concreto que se recicla. Esta absorción se encuentra entre los valores de agregados naturales y ligeros. Los valores aumentan a medida que el tamaño del agregado grueso disminuye (Fig. 5-27). La alta absorción del agregado reciclado aumenta la demanda de agua para que se obtenga la misma trabajabilidad y revenimiento (asentamiento) si comparado con un concreto con agregado convencional. El agregado reciclado seco absorbe agua durante y después del mezclado. Para evitar esto, el agregado reciclado se debe pre-humedecer o las pilas se deben mantener húmedas. La forma de las partículas de los agregados de concreto reciclado es similar a las rocas trituradas, como se enseña en la Figura 5-28. La densidad relativa disminuye progresivamente a medida que el tamaño de las partículas disminuye. El contenido de sulfatos de los agregados de concreto reciclado se debe determinar para que se evalúe la posibilidad de la reactividad deletérea de los sulfatos. El contenido de sulfatos se debe determinar donde sea necesario. El concreto nuevo producido con agregado de concreto reciclado generalmente tiene una buena trabajabilidad. La carbonatación, permeabilidad y resistencia a congelación-

Tamaño del agregado

Fig. 5-27. Comparación de la absorción de agua de tres tamaños diferentes de partículas de agregado reciclado y un tamaño de agregado grueso ligero natural. (Kerkhoff y Siebel 2001).

deshielo se han mostrado similares o hasta mejores que el concreto con agregado convencional. El concreto producido con agregado grueso reciclado y agregado fino convencional puede lograr una resistencia a compresión adecuada. El uso de agregado fino reciclado puede resultar en una pequeña disminución de la resistencia a compresión. Sin embargo, la contracción por secado y la fluencia del concreto con el agregado reciclado es hasta 100% mayor que el concreto con agregado convencional. Esto se debe a la gran cantidad de pasta de cemento y mortero viejos, especialmente en el agregado fino. Por lo tanto, valores considerablemente menores de contracción por secado se pueden lograr con el uso de agregado grueso reciclado y arena natural (Kerkhoff y Siebel 2001). De la misma manera que cualquier fuente nueva de agregado, el agregado de

Fig. 5-28. Agregado de concreto reciclado. (69812) 129


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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concreto reciclado se debe ensayar con relación a durabilidad, granulometría y otras propiedades. El concreto reciclado que se usa como agregado grueso en el concreto nuevo posee algún potencial de reacción álcali-sílice si el concreto viejo contiene agregado reactivo. El contenido de álcali del cemento empleado en el concreto viejo tiene poco efecto en la expansión debido a la reacción álcali-sílice. Para agregados altamente reactivos producidos del concreto reciclado, se deben usar las medidas especiales para prevención de la RAS, discutidas en “Reacción Álcali-Sílice”. Aunque la RAS expansiva no se haya desarrollado en el concreto original, no se puede asumir que no se vaya a desarrollar en el concreto nuevo, caso no se tomen medidas preventivas. El examen petrográfico y los ensayos de expansión se recomiendan para esta evaluación (Stark 1996). Se deben producir mezclas de pruebas para la comprobación de la calidad del concreto y para determinar las proporciones adecuadas de la mezcla. Uno de los problemas potenciales del uso de concreto reciclado es la variabilidad en las propiedades del concreto viejo, que, a su vez, puede afectar las propiedades del concreto nuevo. Se lo puede evitar parcialmente con el control frecuente de las propiedades del concreto viejo que se esté reciclando. Se pueden hacer necesarios ajustes de las proporciones de la mezcla.

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

134


Capítulo 6

Aditivos para Concreto Los aditivos son aquellos ingredientes del concreto que, además del cemento portland, del agua y de los agregados, se adicionan a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado (Fig. 6-1). Los aditivos se pueden clasificar según sus funciones, como sigue: 1. Aditivos incorporadores de aire (inclusores de aire) 2. Aditivos reductores de agua 3. Plastificantes (fluidificantes) 4. Aditivos aceleradores (acelerantes) 5. Aditivos retardadores (retardantes) 6. Aditivos de control de la hidratación 7. Inhibidores de corrosión 8. Reductores de retracción Fig. 6-1. Aditivos líquidos, de la izquierda hacia la derecha: aditivo anti9. Inhibidores de reacción álcali-agregado deslave, reductor de retracción, reductor de agua, agente espumante, inhibidor de corrosión y incorporador de agua. (69795) 10. Aditivos colorantes 11. Aditivos diversos, tales como aditivos para mejorar la trabajabilidad (manejabilidad), para mejorar la adherencia, a prueba de hu4. Superación de ciertas emergencias durante las operamedad, impermeabilizantes, para lechadas, formaciones de mezclado, transporte, colocación y curado; dores de gas, anti-deslave, espumante y auxiliares de A pesar de estas consideraciones, se debe observar que bombeo. ningún aditivo de cualquier tipo o en cualquier cantidad se La Tabla 6-1 fornece una clasificación mucho más lo puede considerar como un sustituto de las buenas prácamplia de los aditivos. ticas de construcción. El concreto debe ser trabajable, fácilmente acabado, La eficiencia de un aditivo depende de factores tales fuerte, durable, estanque y resistente al desgaste. Estas calicomo: tipo, marca y cantidad del material cementante; dades se las puede obtener fácil y económicamente con la contenido de agua; forma, granulometría y proporción de selección de los materiales adecuados, preferiblemente al los agregados; tiempo de mezclado y temperatura del uso de aditivos (a excepción de los inclusores de aire concreto. cuando necesarios). Los aditivos para uso en concreto deben obedecer las Las razones principales para el uso de aditivos son: especificaciones, como presentado en la Tabla 6-1. Las mezclas que se van a ensayar, se las deben producir con los 1. Reducción del costo de la construcción de concreto; aditivos y materiales usados en la obra en la temperatura y 2. Obtención de ciertas propiedades en el concreto de humedad previstas para la obra. De esta manera, se puede manera más efectiva que otras; observar la compatibilidad de los aditivos y de los mate3. Manutención de la calidad del concreto durante las riales de la obra, bien como los efectos de los aditivos sobre etapas de mezclado, transporte, colado (colocación) y las propiedades del concreto endurecido. Se debe usar la curado en condiciones de clima adverso;

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 6-1. Aditivos de Concreto Según su Clasificación Tipo de Aditivo y Normas Acelerador

Adherencia Aditivo para Lechada Agente Espumante Anti-deslave A Prueba de Humedad

Auxiliar de bombeo

Colorante

Control de Hidratación

Formador de gas Fungicida, germicida e insecticida Impermeabilizantes Inclusores (incorporador) de Aire

Efecto Deseado Acelerar el tiempo de fraguado y el desarrollo de la resistencia temprana

Material Cloruro de calcio, (ASTM D 98 and AASHTO M 144) trietanolamina, tiocianato de sodio, formiato de calcio nitrito de calcio, nitrato de calcio

ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo C), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NMX-C-255, NMX-C-356, NTC 1299 (tipo C), NTP 334.088 Aumentar la resistencia de adherencia Cloruro polivinilo, acetato polivinilo, acrílicos, copolímeros de butadienoestireno Ajustar las propiedades de la lechada Consulte los aditivos inclusores de aire, aceleradores, para aplicaciones específicas retardadores y reductores de agua Producir concreto liviano y concreto Surfactantes catiónicos o aniónicos celular con baja densidad Proteína hidrolizada Aumentar la cohesión del concreto Celulosa, polímero acrílico para su colocación bajo agua Retrasar la penetración de humedad Jabones de estearato de calcio o amonio u oleato en el concreto seco Estearato butilo Productos de petróleo Mejorar las condiciones de bombeo Polímeros orgánicos y sintéticos Floculantes orgánicos Emulsiones orgánicas de parafina, alquitrán, asfalto, acrílicos Bentonita y sílice pirogénica Cal hidratada (ASTM C 141) Producir concreto colorido Negro de humo modificado, óxido férrico, tierra de sombra, óxido de cromio, óxido de titanio y azul cobalto ASTM C 979, NMX-C 313, NTC 3760 Suspender y reactivar la hidratación Ácidos carboxílicos del cemento con un estabilizador y Sales de ácidos orgánicos conteniendo fósforo un activador Causar expansión antes del fraguado Polvo de aluminio Inhibir o controlar el crecimiento de Fenoles polihalogenados bacterias y fungos Emulsiones de dieldrin Compuestos de cobre Disminuir la permeabilidad Látex Estearato de calcio Mejorar la durabilidad en los Sales de resinas de madera (resina vinsol) ambientes sujetos a congelaciónAlgunos detergentes sintéticos deshielo, sales, sulfatos y Sales de lignina sulfonatada ambientes álcali reactivos Sales de ácidos de petróleo Mejorar la durabilidad Sales de material protaináceo Ácidos grasos y resinosos y sus sales Sulfonatos de alkilbenceno Sales de hidrocarburos sulfonatados

ASTM C 260, AASHTO M 154, COVENIN 0357, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NGO 41069, NMX-C-200, NTC 3502, NTP 334.089, NGO 41016 Inhibidor de reacción Reducir la expansión por reactividad Sales de bario, nitrato de litio, carbonato de litio, álcali-agregado álcali-agregado hidróxido de litio Inhibidor de Corrosión Reducir la corrosión del acero en Nitrito de calcio, nitrito de sodio, benzoato de sodio, ambientes con alta concentración ciertos fosfatos y fluosilicatos, fluoaluminatos, esteramina de cloruros Purgador de aire Disminuir el contenido de aire Fosfato tributilo, ftalato dibutilo, alcohol octilo, ésteres insolubles en ácidos carbónico y bórico, silicones Reductor de agua Reducir en hasta 5% el contenido Lignosulfonatos de agua Ácido carboxílico hidroxilato Carbohidratos (también tienden a retardar el fraguado, entonces normalmente se añade un acelerador) ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo A), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NMX-C-255, NTC 1299, NTP 334.088 136


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto Tabla 6-1. Aditivos de Concreto Según su Clasificación (Continuación) Tipo de Aditivo y Normas Reductor de agua y acelerador

Efecto Deseado

Material

Reducir en hasta 5% el contenido de agua y acelerar el fraguado

Véase reductor de agua (se añade acelerador)

ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo E), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NMX-C-255, NTC 1299, NTP 334.088 Reductor de agua y Reducir en hasta 5% el contenido de Véase reductor de agua (se añade retardador) retardador agua y retardar el fraguado ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo D), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NMX-C-255NTC 1299, NTP 334.088 Reductor de agua de alto Reducir en hasta 12% el contenido Véanse superplastificantes rango de agua ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo F), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NTC 1299, NTP 334.088, Reductor de agua de alto Reducir en hasta 12% el contenido de Véanse superplastificantes y reductores de agua rango y retardador agua y retardar el fraguado ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo G), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NTC 1299, NTP 334.088 Reductor de agua de Reducir el contenido de agua de 6% Lignosulfonatos medio rango a 12% sin retardo del fraguado Policarboxilatos Reductor de Retracción

Disminuir la retracción por secado

Éter alkil polioxialkileno Propileno glicol

Retardador

Retardar el tiempo de fraguado

Lignina Bórax Azúcares Ácido tartárico y sales

Superplastificante

Superplastificante y Retardador

ASTM C 494, AASHTO M 194 (tipo B), COVENIN 0356, IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NMX-C-255, NTC 1299 (tipo B), NTP 334.088 Aumentar la fluidez del concreto Formaldehido condensado de melamina sulfonato Disminuir la relación agua-cemento Formaldehido condensado de naftaleno sulfónico Lignosulfonatos Policarboxilatos ASTM C 1017 (tipo 1), IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NTC 4023 (tipo F), NTP 334.088 Aumentar la fluidez del concreto con Véanse superplastificantes y reductores de agua tiempo de fraguado retardado Disminuir la relación agua-cemento ASTM C 1017 (tipo 2), IRAM 1663, NCh2182.Of1995, NTC 4023 (tipo G)

el concreto a través del uso de cemento con inclusor de aire, de aditivos inclusores de aire o de la combinación de ambos métodos. Un cemento con inclusor de aire es un cemento portland con adiciones de inclusor de aire, las cuales se muelen conjuntamente con el clínker durante la fabricación del cemento. Por otro lado, el aditivo incorporador de aire se lo adiciona directamente a los materiales del concreto antes o durante el mezclado. Los ingredientes básicos usados en los aditivos incorporadores de aire se listan en la Tabla 6-1, bien como sus especificaciones y los métodos de ensayo. Además de aquellas normas hay también la ASTM C 233 (AASHTO M 154 y T 157) y la COVENIN 0355. Los inclusores de aire usados en la producción del cemento con inclusor de aire deben obedecer la ASTM C 226. Los requisitos de los cementos con inclusor de aire se presentan en la ASTM C 150 y AASHTO M 85. Para más información, consulte el Capítulo 8, Concretos con Aire Incluido, Klieger (1996) y Whiting y Nagi (1998).

cantidad de aditivo recomendada por el fabricante o la cantidad óptima determinada por los ensayos de laboratorio.

ADITIVOS INCLUSORES DE AIRE Los aditivos inclusores de aire (incorporadores de aire) se usan para introducir y estabilizar, de propósito, burbujas microscópicas de aire en el concreto. El inclusor de aire mejora considerablemente la durabilidad de concretos expuestos a ciclos de congelación-deshielo (hielo-deshielo) (Fig. 6-2). El aire incorporado mejora la resistencia del concreto al descascaramiento de la superficie causado por el uso de productos descongelantes (anticongelantes) (Fig. 6-3). Además, también se mejora la trabajabilidad del concreto fresco y se reducen o eliminan tanto la segregación como el sangrado (exudación). El concreto con aire incluido contiene diminutas burbujas de aire distribuidas uniformemente por toda la pasta de cemento. Se puede producir el aire incorporado en 137


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Fig. 6-3. Descascaramiento del concreto resultante de una carencia de aire incorporado, uso de descongelantes y prácticas inadecuadas de acabado y curado. (52742)

revenimiento. Sin embargo, la tasa de pérdida de revenimiento no se disminuye y en algunos casos se aumenta (Fig. 6-4). La pérdida rápida de revenimiento resulta en reducción de la trabajabilidad y en menos tiempo para la colocación del concreto. Con los aditivos reductores de agua normalmente se obtiene un aumento de la resistencia porque se disminuye la relación agua-cemento. En concretos con los mismos contenidos de cemento y de aire y revenimiento, la resistencia a los 28 días de un concreto conteniendo un reductor de agua (y reducción de la cantidad de agua) puede ser del 10% al 25% mayor que la resistencia de un concreto sin aditivo. A pesar de la reducción del contenido de agua, los aditivos reductores de agua pueden aumentar la retracción por secado (contracción por desecación).

5

Fig. 6-2. Daños causados por la congelación (fragmentación) en la juntas de un pavimento (superior), fisuración por congelación inducida cerca de las juntas (inferior) y ampliación de la vista de las fisuras (foto menor, en la parte interna). (61621, 67834, 67835)

Control Reductor de agua L Reductor de agua H

Revenimiento, mm

100

ADITIVOS REDUCTORES DE AGUA Los aditivos reductores de agua se usan para disminuir la cantidad de agua de mezcla necesaria para la producción de un concreto con un revenimiento (asentamiento) específico, para reducir la relación agua-cemento, para disminuir el contenido de cemento y para aumentar el revenimiento. Los reductores de agua típicos disminuyen el contenido de agua aproximadamente del 5% al 10%. La adición al concreto del aditivo reductor de agua sin la reducción del contenido de agua puede producir una mezcla con mayor

4

75

3

50

2

25

1

0

0

20

40 60 80 100 Tiempo transcurrido, minutos

120

Revenimiento, pulg.

125

0 140

Fig. 6-4. Pérdida de revenimiento a 23°C (73°F) en concretos conteniendo reductores de agua convencionales (ASTM C 494 y AASHTO M 194 Tipo D) comparados con mezclas de control (Whiting y Dziedzic 1992). 138


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto Normalmente, el efecto del aditivo reductor de agua sobre la retracción por secado es pequeño si comparado a otros factores más significantes que causan la fisuración (agrietamiento) por retracción en concreto. El uso de reductores de agua para la disminución del contenido de cemento y de agua, manteniéndose la misma relación agua-cemento, puede resultar en una resistencia a compresión igual o menor y puede aumentar la pérdida de revenimiento (asentamiento) en dos o más veces (Whiting y Dziedzic 1992). Los reductores de agua disminuyen, aumentan o no tienen ningún efecto sobre el sangrado (exudación), dependiendo de su composición química. La disminución del sangrado puede dificultar las operaciones de acabado de superficies planas cuando las condiciones de secado son rápidas. Los aditivos reductores de agua se pueden modificar para ofrecer varios grados de retraso, mientras que otros no afectan considerablemente el tiempo de fraguado. Por ejemplo, el aditivo tipo A de la ASTM C 494 (AASHTO M 194) puede tener un pequeño efecto sobre el tiempo de fraguado, el tipo E lo acelera y el tipo D normalmente lo retarda de 1 a 3 horas (Fig. 6-5). Algunos aditivos reductores de agua también pueden incorporar aire. Los aditivos

4

Fraguado inicial

a base de lignina pueden aumentar el contenido de aire en 1% a 2%. Los concretos con reductores de agua habitualmente tienen buena retención de aire (Tabla 6-2). La eficiencia de los reductores de agua es función de su composición química, de la temperatura del concreto, de la finura y composición del cemento, del contenido de cemento y de la presencia de otros aditivos. La clasificación y los componentes de los reductores de agua se presentan en la Tabla 6-1. Para más información sobre los efectos de los reductores de agua sobre las propiedades del concreto, consulte Whiting y Dziedzic (1992).

REDUCTORES DE AGUA DE MEDIO RANGO Los reductores de agua de medio rango se emplearon por primera vez en 1984. Estos aditivos fornecen una reducción significativa de la cantidad de agua (entre 6 y 12%) para concretos con revenimiento (asentamiento) de 125 a 200 mm (5 a 8 pulg.), sin el retraso asociado a altas dosificaciones de reductores de agua convencionales (normales). Los reductores de agua normales se indican para concretos

3

Cemento 1 Cemento 2

Fraguado final

Cemento 1 Cemento 2

Retardo, horas

Retardo, horas

3

2

2

1

1

0

L

H

N

M Aditivo

B

0

X

L

H

N

M Aditivo

B

X

Fig. 6-5. Retraso del fraguado en mezclas con aditivo reductor de agua con relación a la mezcla de control. Los concretos L y H contienen reductores de agua convencionales y los concretos N, M, B y X contienen reductores de agua de alto rango (Whiting y Dziedzic 1992).

Tabla 6-2. Pérdida de Aire en Mezclas de Concreto con Reducido Contenido de Cemento Mezcla C L H N M B X

Control Reductor agua Reductor agua alto rango

Contenido de aire inicial %*

Contenido de aire final†

Porcentaje de aire retenida

Tasa de pérdida de aire, %/minuto

5.4 7.0 6.2 6.8 6.4 6.8 6.6

3.0 4.7 4.6 4.8 3.8 5.6 5.0

56 67 74 71 59 82 76

0.020 0.038 0.040 0.040 0.065 0.048 0.027

* Representa el contenido de aire medido después de la adición del aditivo. † Representa el contenido de aire medido cuando el asentamiento disminuye para menos de 25 mm (1 pulg.) Whiting y Dziedzic, 1992.

139


EB201

con asentamiento de 100 a 125 mm (4 a 5 pulg.). Se puede usar el reductor de agua de medio rango para reducir la viscosidad y facilitar el acabado, mejorar la bombeabilidad y facilitar la colocación de concretos conteniendo humo de sílice y otros materiales cementantes suplementarios. Algunos de estos aditivos pueden incorporar aire y se los puede usar en concretos con bajo asentamiento (Nmai, Schlagbaum y Violetta 1998).

de acabado en superficies planas cuando hay secado rápido. Algunos de estos aditivos pueden causar una gran pérdida de revenimiento (asentamiento) (Fig. 6-7) y también un gran retraso del tiempo de fraguado, lo que puede agravar la fisuración por retracción plástica si no hay protección y curado correctos. (Fig. 6-5). Otras propiedades de los concretos con reductores de agua de alto rango, tales como retracción por secado, permeabilidad a cloruros, retención de aire (Tabla 6-2) y desarrollo de resistencia, son comparables con aquéllas de los concretos sin los aditivos plastificantes de alto rango, pero con la misma relación agua-cemento (reducción del contenido de cemento y de agua) (Fig. 6-8).

REDUCTORES DE AGUA DE ALTO RANGO Los aditivos reductores de agua de alto rango (aditivos de alta actividad, aditivos de alto efecto) se pueden usar para conferir al concreto las mismas propiedades obtenidas por los adictivos reductores de agua normales, pero con mayor eficiencia. En la ASTM C 494 (AASHTO M 194), corresponden a los tipos F (reductor de agua) y G (reductor de agua y retardador de fraguado). Estos aditivos pueden reducir grandemente la demanda de agua y el contenido de cemento y pueden producir concretos con baja relación agua-cemento, alta resistencia y trabajabilidad normal o alta. Esta reducción de la demanda de agua está entre 12% y 30%, lo que permite producir concretos con: (1) resistencia a compresión última mayor que 715 kg/cm2 o 70 MPa (10,000 lb/pulg2), (2) desarrollo mayor de las resistencias tempranas, (3) menor penetración de los iones cloruro y (4) otras propiedades beneficiosas asociadas a baja relación agua- cemento del concreto (Fig. 6-6). Los aditivos reductores de agua de alto rango normalmente son más eficientes en la mejoría de la trabajabilidad del concreto que los aditivos reductores de agua regulares. La gran reducción del contenido de agua puede disminuir considerablemente el sangrado (exudación), resultando en dificultades

6

150 C N M B X

Revenimiento, mm

125 100

5 4

75

3

50

2

25

1

0

0

20

40 60 80 100 Tiempo transcurrido, minutos

120

Revenimiento, pulg.

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

0 140

Fig. 6-7. Pérdida del revenimiento a 23°C (73°F) de mezclas conteniendo reductores de agua de alto rango (N, M, B y X) comparadas con la mezcla de control (C) (Whiting y Dziedzic 1992).

MPa = 10.2 kg/cm2

Resistencia a compresión, kg/cm2

8 500

7 6

400

5 300

4 C N M X

200

3 2

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg2

9 600

100 1

10

100

1 1000

Edad, días

Fig. 6-6. El concreto con baja relación agua-cemento y baja permeabilidad a los cloruros, ideal para el tablero de puentes, se produce fácilmente con reductores de agua de alto rango. (69924)

Fig. 6-8. Desarrollo de resistencia a compresión de: mezcla de control (C) y concretos con reductores de agua de alto rango (N, M y X) (Whiting y Dziedzic 1992). 140


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto Los concretos con reductores de agua de alto rango pueden tener vacíos mayores de aire incorporado y mayor factor de separación entre los vacíos si comparados con los concretos normales con aire incluido. Esto generalmente podría indicar una resistencia a congelación-deshielo menor. Sin embargo, ensayos de laboratorio han mostrado que concretos con revenimiento (asentamiento) moderado, conteniendo reductores de agua de alto rango, tienen buena durabilidad a congelación-deshielo, incluso con factor de espaciamiento de aire un poco mayor, probablemente por la menor relación agua-cemento en estos concretos. Cuando los productos químicos usados como reductores de agua de alto rango se usan para producir un concreto fluido (plástico), normalmente se llaman plastificantes (fluidificantes) o superplastificantes (superfluidificantes, superfluidizantes) (véase la discusión abajo).

SUPERPLASTIFICANTES PARA CONCRETOS FLUIDOS Los aditivos superplastificantes (superfluidificantes, superfluidizantes) son aditivos reductores de agua de alto rango que obedecen las normas en la Tabla 6-1. En algunos países, tales como EE.UU., México y Ecuador, se puede usar el término plastificante como sinónimo del término superplastificante. Pero, en países tales como Argentina y Chile, el término superplastificante se refiere a los reductores de agua de alto rango, mientras que el término plastificante (fluidificante) se refiere a los reductores de agua convencionales y por lo tanto, en estos casos, los términos superplastificante y plastificante no se pueden usar como sinónimos. En este texto, se empleará el término superplastificante sólo para designar los reductotes de agua de alto rango. Estos aditivos se adicionan al concreto de revenimiento y relación agua-cemento de bajo a normal para producir un concreto fluido, con alto asentamiento (Fig. 6-9). El concreto fluido o plástico es un concreto con consistencia bien fluida, pero trabajable, y que se puede colocar con poca o ninguna vibración o compactación mientras que se lo mantiene prácticamente libre de sangrado (exudación) o segregación excesivas. Algunas aplicaciones para el concreto fluido son: (1) colado de concreto en secciones muy delgadas (Fig. 6-10), (2) áreas con poco espaciamiento del acero de refuerzo, (3) colado bajo el agua, (4) concreto bombeado, para reducir la presión de bombeamiento, (5) áreas donde no se pueden usar los métodos convencionales de consolidación y (6) para la reducción de los costos de manejo. La adición de los superplastificantes en concretos con revenimiento de 75 mm (3 pulg.) permite que se produzca un concreto con asentamiento de 230 mm (9 pulg.). El concreto fluido se define por la ASTM C 1017 como un concreto que tiene un revenimiento mayor que 190 mm (71⁄2 pulg.), pero todavía mantiene sus propiedades cohesivas.

Fig. 6-9. El concreto fluido con alto revenimiento (superior) se coloca fácilmente (medio), incluso en áreas con alta congestión de armadura (inferior). (47343, 69900, 47344)

Las normas ASTM C 1017, IRAM 1663, Nch2182of1995, NMX C 255 y NTP 334.088, entre otras, fornecen dos tipos de aditivos superplastificantes, (1) superplastificante y (2) superplastificantes y retardadores. Los aditivos superplastificantes normalmente son más eficientes para producir concretos fluidos que los aditivos reductores de agua regulares y de medio rango. El efecto de ciertos superplastificantes en el aumento de la trabajabilidad o en la producción de concretos fluidos es corto, de 30 a 60 minutos, siendo que a este periodo se sigue una pérdida rápida 141


EB201 10

250 TC TN TM TB TX

Revenimiento, mm

200

150

6

100

4

50

2

0

Fig. 6-10. El concreto fluido con plastificantes se coloca fácilmente en secciones delgadas, tales como este revestimiento unido que no es más espeso que 11⁄2 diámetro de una moneda de cuarto de dólar (aproximadamente 4 cm). (69874)

8

0

20

40 60 80 100 Tiempo transcurrido, minutos

120

Revenimiento, pulg.

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

0 140

Fig. 6-11. Pérdida del revenimiento a 32°C (90°F) en concretos fluidos (TN, TM, TB y TX) comparados con mezclas de control (TC) (Whiting y Dziezic 1992).

de trabajabilidad o pérdida de revenimiento (Fig. 6-11). Las altas temperaturas también pueden agravar la pérdida de asentamiento. Debido a su propensión de pérdida de revenimiento, estos aditivos algunas veces se los añade al concreto en la mezcladora (hormigonera) en la obra. Estos aditivos están disponibles en la forma de líquido y de polvo. Los aditivos para la extensión de la vida de los superplastificantes, adicionados en las plantas mezcladoras, ayudan a reducir los problemas de pérdida de asentamiento. El tiempo de fraguado se puede acelerar o retardar dependiendo de la composición química de los aditivos, su dosaje y su interacción con otros aditivos y materiales cementantes presentes en la mezcla de concreto. Algunos superplastificantes pueden retardar el fraguado de una a casi cuatro horas (Fig. 6-12). El desarrollo de la resistencia de los concretos fluidos se compara con aquél de los concretos normales (Fig. 6-13). A pesar de que los concretos con superplastificantes son esencialmente libres de sangrado (exudación) excesivo, pruebas demostraron que algunos concretos con superplastificantes exudan más que los de control con la misma relación agua-cemento (Fig. 6-14). Sin embargo, los concretos con superplastificantes exudan mucho menos que los de control con el mismo revenimiento (revenimiento alto) y mayor contenido de agua. Los concretos con asentamiento alto, baja relación agua-cemento y superplastificante presentan mucho menos retracción (contracción) por secado que concretos convencionales con revenimiento alto y alto contenido de agua, pero este concreto con superplastificante tiene mayor retracción por secado que los convencionales con bajo asentamiento y bajo contenido de agua (Whiting 1979, Gebler 1982 y Whiting y Dziedzic 1992). La eficiencia de los superplastificantes aumenta con el aumento de la cantidad de cemento y de finos en el concreto y también se influencia por su revenimiento inicial.

4

Fraguado inicial

Cemento 1 Cemento 2

Retardo, horas

3

2

1

0

N

M

B

X

Aditivo 4

Fraguado final

Cemento 1 Cemento 2

Retardo, horas

3

2

1

0

N

M

B

X

Aditivo

Fig. 6-12. Fraguado retardado en concretos fluidos con plastificantes (N, M, B y X) con relación a mezclas de control (Whiting y Dziedzic 1992). 142


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto

6

400

5 300

4 C FN FM FX

200

3 2

100 1

10

1 1000

100

Los aditivos retardadores (retardantes) se usan para retrasar la tasa de fraguado del concreto. Pero hay otras maneras de hacerlo. Uno de los métodos más prácticos es la reducción de la temperatura del concreto a través del enfriamiento del agua de la mezcla y/o de los agregados. Esto porque las temperaturas elevadas del concreto fresco (30°C [86°F]) normalmente son la causa del aumento de la tasa de endurecimiento, que torna la colocación y el acabado del concreto más difíciles. Los retardadores no disminuyen la temperatura inicial del concreto, en cambio aumentan la tasa de sangrado (exudación) y la capacidad de sangrado del concreto. Los aditivos retardadores son muy útiles para extender el tiempo de fraguado del concreto, pero también se usan para disminuir la pérdida de revenimiento y extender la trabajabilidad, especialmente antes de la colocación del concreto en ambientes con altas temperaturas. El error de este enfoque se enseña en la Figura 6-15, donde la adición del retardador resultó en un aumento de la tasa de pérdida de revenimiento comparativamente con los concretos de control (Whiting y Dziedzic 1992). Los retardadores algunas veces se usan para: (1) compensar el efecto acelerador de la temperatura sobre el fraguado del concreto; (2) retardar el fraguado inicial del concreto o de la lechada cuando ocurren condiciones de colocación difíciles o poco usuales, tales como el colado del concreto en pilares o cimentaciones de gran tamaño, la cementación de pozos de petróleo o el bombeamiento de concreto o lechadas a grandes distancias o, (3) retrasar el fraguado para la ejecución de técnicas de acabado especiales, tales como superficies con agregados expuestos.

Edad, días

Fig. 6-13. Desarrollo de la resistencia a compresión en concretos fluidos. C es la mezcla de control. Las mezclas FN, FM y FX contienen plastificantes (Whiting y Dziezic 1992).

Sangrado, porcentaje

15

10

5

0

C

N

M Aditivo

B

X

Fig. 6-14. Sangrado de concretos fluidos con plastificantes (N, M, B y X) comparados con mezclas de control (C) (Whiting y Dziezic 1992).

5

125 Sin aditivo, 23°C (73°F) Sin aditivo, 32°C (90°F) Retardador, 32°C (90°F)

Revenimiento, mm

100

Los concretos fluidos con superplastificante pueden tener mayor cantidad de vacíos de aire atrapado y mayor factor de espaciamiento de vacíos que un concreto convencional. La pérdida de aire también puede ser significativa. Estudios en algunos concretos fluidos, expuestos a un ambiente de humedad permanente sin ningún período de secado, indicaron una resistencia a la congelación-deshielo y al descararamiento baja (Whiting y Dziedzic 1992). Sin embargo, el desempeño de los concretos fluidos con baja relación agua-cemento se ha mostrado bueno en la mayoría de los ambientes sujetos a congelación. La Tabla 6-1 presenta los componentes principales y las especificaciones para los aditivos superplastificantes.

4

75

3

50

2

25

1

Revenimiento, pulg.

7

ADITIVOS RETARDADORES

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg2

Resistencia a compresión, kg/cm2

8 MPa = 10.2 kg/cm2

500

0

0 0

20

40 60 80 100 Tiempo transcurrido, minutos

120

140

Fig. 6-15. Pérdida del revenimiento, en varias temperaturas, de concretos convencionales preparados con y sin aditivos retardadores de fraguado (Whiting y Dziezic 1992). 143


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 cimiento del concreto) y un aumento del potencial de descascaramiento. El cloruro de calcio no es un agente anticongelante. Si usado en las cantidades permitidas, el cloruro de calcio no va a reducir el punto de congelación del concreto más que unos pocos grados. Los intentos de proteger el concreto de la congelación por este método son imprudentes. En vez de esto, se deben tomar precauciones comprobadamente fiables durante el clima frío (Consulte el Capítulo 14, Colado en Clima Frío). Cuando usado, el cloruro de calcio se debe añadir al concreto en la forma de solución, como parte del agua de mezcla. Si adicionado en la forma de hojuelas secas, ni todas las partículas secas se van a disolver durante el mezclado. Los terrones no disueltos pueden causar reventones, descascarillamiento o manchas oscuras en el concreto endurecido. La cantidad de cloruro de calcio adicionada al concreto no debe ser mayor que la necesaria para la producción de los efectos deseados y nunca mayor que 2% de la masa del material cementante. Al calcularse el contenido de cloruro de los cloruros de calcio comercialmente disponibles, se puede asumir que:

La reducción del agua obtenida con el aditivo retardador tipo B ASTM C 494 (AASHTO M 194) es normalmente menor que aquélla obtenida con el reductor de agua tipo A. Los aditivos tipo D se crearon para fornecer ambos, reducción y retraso. En general, alguna reducción en la resistencia a edades tempranas (de uno a tres días) puede acompañar el uso de los retardadores. Los efectos de estos materiales sobre otras propiedades del concreto, tales como retracción, pueden ser impredecibles. Por lo tanto, se deben hacer ensayos de aceptación de los retardadores con los materiales de la obra bajo las condiciones de la obra. La clasificación y los componentes de los retardadores se presentan en la Tabla 6-1.

ADITIVOS DE CONTROL DE LA HIDRATACIÓN Los aditivos de control de la hidratación se tornaron disponibles al final de los años 80. Consisten en un sistema químico de dos partes: (1) un estabilizador o retardador que básicamente detiene la hidratación de los materiales cementantes y (2) un activador que, cuando adicionado al concreto estabilizado, reestablece la hidratación y el fraguado normales. El estabilizador puede suspender la hidratación por hasta 72 horas y el activador se adiciona al concreto poco antes de que se lo use. Estos aditivos pueden suspender el fraguado por toda la noche, posibilitando la reutilización de concretos retornados al camión de concreto premezclado. Este aditivo también es útil en la manutención del concreto estabilizado, sin endurecer, durante el transporte por largos periodos. En este caso, se reactiva el concreto cuando llega a la obra. Este aditivo actualmente no tiene una norma de especificación (Kinney 1989).

1. Una hojuela regular contiene un mínimo de 77% de CaCl2 2. La hojuelas concentradas, en la forma de pelotitas o en la forma granular, contienen un mínimo de 94% de CaCl2 Una sobredosis puede resultar en problemas en el colado, en agarrotamiento rápido, en un gran aumento de la retracción por secado, en corrosión del refuerzo y en pérdida de resistencia a lo largo del tiempo y, por lo tanto, puede ser perjudicial al concreto (Abrams 1924 y Lackey 1992). Se recomienda prudencia en el uso de cloruro de calcio en las siguientes condiciones: 1. Concretos sujetos al curado a vapor 2. Concretos que tengan metales distintos inmersos, principalmente si estuvieren conectados a la armadura de refuerzo 3. Losas de concreto soportadas por cimbras (encofrados) permanentes de acero galvanizado 4. Concretos coloridos

ADITIVOS ACELERADORES Los aditivos aceleradores (acelerantes) se usan para acelerar la tasa de hidratación (fraguado) y el desarrollo de la resistencia del concreto en edades tempranas. El desarrollo de la resistencia del concreto también se puede acelerar por otros métodos: (1) usando el cemento de alta resistencia inicial, (2) bajando la relación agua-cemento, a través de la adición de 60 a 120 kg/m3 (100 a 200 lb/yd3) de cemento, (3) usando un reductor de agua o (4) curando el concreto a altas temperaturas. El cloruro de calcio (CaCl2) es el compuesto químico más comúnmente empleado en aditivos aceleradores, especialmente en concretos sin armadura y debe obedecer los requisitos de la ASTM D 98 (AASHTO M 144) y NMX C 356. El uso difundido de los aceleradores a base de cloruro de calcio ha fornecido muchos datos y experiencia sobre su efecto sobre las propiedades del concreto. Además de acelerar el desarrollo de resistencia, el cloruro de calcio promueve un aumento de la contracción por secado, corrosión potencial de la armadura, decoloración (oscure-

No se deben usar cloruros de calcio o aditivos conteniendo cloruros solubles en los siguientes casos: 1. Construcción de aparcamientos 2. En concreto pretensado debido al riesgo de la corrosión del acero 3. En concreto con aluminio inmerso (por ejemplo tuboconductos), pues puede ocurrir corrosión severa del aluminio, especialmente si el aluminio está en contacto con la armadura inmersa de acero y el concreto está en un ambiente húmedo 144


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto 4. En concreto que contenga agregados que, bajo las condiciones de ensayos normalizados, se han mostrado potencialmente reactivos 5. En concreto expuesto a suelos o agua que contengan sulfatos 6. En losas de pisos que se van a acabar a seco con llanas (fratas, flotas) metálicas 7. Durante el clima caluroso en general 8. En la colocación de concretos masivos

INHIBIDORES DE CORROSIÓN Los inhibidores de corrosión se usan en concreto de estructuras de aparcamientos, estructuras marinas y puentes donde las sales de cloruro estén presentes (Fig. 6-16). Los óxidos ferrosos, aunque estables en el ambiente alcalino del concreto, reaccionan con los cloruros para formar complejos que se alejan del acero para formar polvo. Los iones cloruro continúan a atacar el acero hasta que la capa de óxidos pasivadora se destruya. Los aditivos inhibidores de la corrosión detienen químicamente la reacción de corrosión.

La Tabla 6-3 presenta las recomendaciones del ACI 318 – código de construcción – para el contenido máximo de iones cloruro para la protección contra la corrosión de la armadura pretensada y de la de refuerzo. Se mejora mucho la resistencia a la corrosión del acero inmerso con el aumento del espesor de la capa de recubrimiento del concreto y con la disminución de la relación agua-cemento. Stark (1989) demostró que los concretos producidos con 1% de CaCl2 ·2H2O, con relación a la masa de cemento, desarrollaron corrosión activa del acero cuando almacenados continuamente en niebla. Cuando se usó 2% de CaCl2 ·2H2O, se detectó la corrosión activa en concretos almacenados en la cámara de niebla con humedad relativa de 100%. El riesgo de corrosión se disminuyó grandemente cuando la humedad relativa bajó para 50%. Gaynor (1998) mostró como calcular el contenido de cloruros del concreto fresco y como compararlo con los límites recomendados. Muchos aceleradores sin cloruros y no corrosivos están disponibles para el uso en concretos donde no se recomiendan los cloruros (Tabla 6-1). Sin embargo, algunos aceleradores sin cloruros no son tan eficientes como los cloruros de calcio. Ciertos aceleradores sin cloruro se formulan especialmente para el uso en aplicaciones en climas fríos, con temperatura ambiente menor que -7°C (20°F).

Fig. 6-16. Los daños en esta estructura de aparcamiento en concreto son resultado de la corrosión de la armadura, inducida por cloruros. (50051)

Los aditivos inhibidores de corrosión comercialmente disponibles incluyen: nitrito de calcio, nitrito de sodio, etanolamina dimetil, aminas, fosfatos y esteraminas. Los inhibidores anódicos, tales como los nitritos, bloquean la reacción de corrosión y estabilizan la película pasivadora de protección del acero. Esta película de óxido férrico se crea por el ambiente de pH alto en el concreto. Los iones nitrito ayudan a estabilizar los óxidos férricos. En realidad, se previne la penetración de los iones cloruro en la película pasivadora y su contacto con el acero. Una cierta cantidad de nitrito puede detener la corrosión hasta un cierto nivel de iones cloruro. Por lo tanto, el aumento en los niveles de iones cloruro requiere un aumento en los niveles de nitritos para paralizar la corrosión. Los inhibidores catódicos reaccionan con la superficie del acero para interferir en la reducción del oxigeno.Esta reducción es la principal reacción catódica en ambientes alcalinos (Berke y Weil 1994).

Tabla 6-3. Contenido Máximo de Iones Cloruro para la Protección de la Armadura contra la Corrosión*

Tipo de elemento

Contenido máximo de iones solubles en agua (Cl -) en el concreto, porcentaje de la masa de cemento

Concreto Pretensado (presfuerzo, presforzado, precomprimido)

0.06

Concreto reforzado (armado) expuesto a cloruros durante su servicio Concreto reforzado que va a secar o va a estar protegido de la humedad durante su servicio in service Otras construcciones de concreto reforzado

0.15

1.00

0.30

* Requisitos del ACI 318 ensayados por la ASTM C 1218.

145


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

ADITIVOS REDUCTORES DE RETRACCIÓN (CONTRACCIÓN)

0.70

Los aditivos reductores de retracción (contracción), introducidos en el mercado en los años 80, tienen su uso potencial en tableros de puentes, losas de pisos críticos y edificios donde se deban minimizar las fisuras (grietas) y la deformación por razones de durabilidad y estéticas (Fig,. 6-17). El éter alkil polioxialkileno y el propileno glicol se usan como reductores de contracción. Ensayos en laboratorio han mostrado reducciones de la retracción por secado entre 25% y 50%. Estos aditivos tienen efectos insignificantes sobre el revenimiento (asentamiento) y la pérdida de aire, pero pueden retardar el fraguado. Normalmente son compatibles con otros aditivos (Nmai, Tomita, Hondo y Buffenbarger 1998 y Shah, Weiss y Yang 1998).

0.50

Expansión, porcentaje

0.60

Dosificación Li2CO3 (% de la masa de cemento) Ningún 0.25 0.50 1.00

0.40 0.30 0.20

ASTM C 227

0.10 0.00

0

6

12

18 24 Edad, meses

30

36

Fig. 6-18. Expansión de probetas producidas con aditivos de carbonato de litio (Stark 1992).

ADITIVOS COLORANTES Se usan materiales naturales y sintéticos para colorir el concreto sea por razones estéticas, sea por seguridad (Fig. 6-19). El color rojo se usa alrededor de líneas eléctricas subterráneas o líneas de gas como una advertencia a cualquier persona cerca de las instalaciones. El concreto amarillo se usa en las guías de seguridad en los pavimentos. Generalmente, la cantidad de pigmentos usada en concreto no debe exceder 10% de la masa del cemento. Los pigmentos usados en cantidades inferiores a 6% no afectan las propiedades del concreto. El negro de humo no modificado reduce significantemente el contenido de aire. La mayoría de los negros de humo para la coloración del concreto contiene un aditivo para compensar este efecto sobre el aire. Antes de usar el aditivo colorante en un proyecto, se debe ensayar su estabilidad bajo la luz del sol y autoclave, su estabilidad

Fig. 6-17. Fisuras por retracción, tales como las enseñadas en este tablero de puente, se pueden reducir con prácticas adecuadas de colocación, acabado y curado de concreto y con el uso de aditivos reductores de retracción. (69883)

ADITIVOS QUÍMICOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA REACTIVIDAD ÁLCALI-AGREGADO (INHIBIDORES DE RAS) Los aditivos químicos para el control de la reactividad álcali-agregado (expansión álcali-agregado) se introdujeron en el mercado en los años 90 (Fig. 6-18). Nitrito de litio, carbonato de litio, hidróxido de litio, silicato de aluminio y litio (espodumenio calcinado) y sales de bario han reducido la reacción álcali-sílice (RAS) en ensayos de laboratorio (Thomas y Stokes 1999 y AASHTO 2001). Algunos de estos materiales tienen su uso potencial como aditivos para cemento (Gajda 1996). Hay poca experiencia de campo disponible sobre la eficiencia de estos materiales.

Fig. 6-19. Se emplearon pigmentos rojos y azules para colorir este piso de terrazo. (69873) 146


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto manera más eficiente para transformar concretos con poca bombeabilidad en concretos bombeables. Estos aditivos aumentan la viscosidad o la cohesión del concreto, reduciendo la separación del agua de la pasta que está bajo la presión de la bomba. Algunos auxiliares de bombeo pueden aumentar la demanda de agua, reducir la resistencia a compresión, atrapar aire o retardar el tiempo de fraguado. Se pueden corregir estos efectos colaterales con el ajuste de las proporciones de la mezcla o con la adición de otros aditivos que los compensen. Una lista parcial de los materiales que se emplean como auxiliares de bombeo se encuentra en la Tabla 6-1. Algunos de los aditivos que tienen otros propósitos principales, pero que también mejoran la bombeabilidad, son los agentes inclusores de aire y algunos reductores de agua y retardadores.

química en cemento y su efecto sobre las propiedades del concreto. No se debe usar el cloruro de calcio con pigmento para que se eviten distorsiones del color. Los pigmentos deben estar de acuerdo con las normas ASTM C 979, NMXC 313 y NTC 3760.

ADITIVOS A PRUEBA DE AGUA El pasaje del agua a través del concreto normalmente es una evidencia de la existencia de fisuras o de áreas con consolidación incompleta. El concreto sano y denso, producido con relación agua-cemento menor que 0.50 es estanque, si adecuadamente colado y curado. Los aditivos conocidos como agentes a prueba de agua incluyen ciertos jabones, estearatos y productos del petróleo. Pueden reducir, pero generalmente no lo hacen, la permeabilidad del concreto con bajo contenido de cemento, alta relación agua-cemento o deficiencia de finos en los agregados. Su empleo en mezclas bien proporcionadas puede aumentar el agua necesaria y, en realidad, resulta en un aumento de la permeabilidad. Los aditivos a prueba de agua se usan, a veces, para reducir la transmisión de humedad a través del concreto que esté en contacto con el agua o con el suelo húmedo. Muchos de los llamados aditivos a prueba de agua no son eficientes, especialmente cuando usados en concretos en contacto con agua bajo presión.

ADITIVOS DE ADHERENCIA Y AGENTES DE ADHERENCIA Los aditivos de adherencia son normalmente emulsiones de agua de materiales orgánicos incluyendo hule, cloruro de polivinilo, acetato de polivinilo, acrílicos, copolímeros de butadieno estireno y otros polímeros. Se adicionan a las mezclas de cemento portland para aumentar la resistencia de adherencia entre el concreto viejo y el concreto nuevo. La resistencia a flexión y la resistencia al ingreso de iones cloruro también se aumentan. Estos aditivos se adicionan en proporciones que varían del 5% al 20% de la masa del material cementante. La cantidad real depende de las condiciones de la obra y del tipo de aditivo empleado. Algunos aditivos pueden aumentar el contenido de aire. Los aditivos del tipo no emulsionantes son resistentes al agua y más apropiados en aplicaciones exteriores y usados en sitios donde haya humedad. El resultado final obtenido con el aditivo de adherencia va a ser, en el mejor de los casos, tan bueno como la superficie a la cual esté aplicado. La superficie debe estar seca, limpia, sana, libre de suciedad, polvo, pintura y grasa y en la temperatura adecuada. Los concretos orgánicos o modificados se aceptan para remiendos y coberturas con capas finas, principalmente donde se deseen remiendos con bordes adornados. Los agentes de adherencia no se deben confundir con los aditivos de adherencia. Los aditivos son ingredientes del concreto, mientras que los agentes se aplican a la superficie del concreto existente inmediatamente antes que se coloque el concreto nuevo. Los agentes de adherencia ayudan a pegar juntos el material existente y el nuevo material y se usan en trabajos de restauración y reparos. Consisten en lechadas de cemento portland o de cemento portland modificado con látex o polímeros tales como las resinas epoxi (ASTM C 881 o AASHTO M 235, NMX C 241) o látex (ASTM C 1059).

ADITIVOS IMPERMEABILIZANTES Los aditivos impermeabilizantes reducen la tasa en la cual el agua bajo presión se transmite a través del concreto. Uno de los mejores métodos para disminuir la permeabilidad del concreto consiste en el aumento del tiempo de curado húmedo y la reducción de la relación agua-cemento para menos de 0.50. La mayoría de los aditivos que reducen la relación agua-cemento, como consecuencia, reducen también la permeabilidad. Algunos materiales cementantes suplementarios, principalmente el humo de sílice, reducen la permeabilidad durante el proceso de hidratación y de la reacción puzolánica. Otros aditivos que actúan para bloquear la capilaridad del concreto se muestran eficientes en la reducción de la corrosión en ambientes químicamente agresivos. Tales aditivos, diseñados para el uso en concretos con alto contenido de cemento y baja relación agua-cemento, contienen ácido graso alifático y una emulsión acuosa de glóbulos poliméricos y aromáticos (Aldred 1988).

AUXILIAR DE BOMBEO Los auxiliares de bombeo se adicionan al concreto para mejorar la bombeabilidad. El auxiliar de bombeo no puede solucionar todos los problemas de bombeo, pero se usa de 147


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 si empleados en grandes cantidades, pueden reducir la resistencia a compresión de concreto.

ADITIVOS PARA LECHADAS Las lechadas de cemento portland se usan para una gran variedad de propósitos: estabilizar cimientos, engastar bases de máquinas, rellenar fisuras y juntas de concreto, cementar pozos de petróleo, rellenar el núcleo de los muros de mampostería, cementar tendones de pretensado y pernos de anclaje y rellenar vacíos en concretos con agregados precolocados. Se usan varios aditivos inclusores de aire, aceleradores, retardadores y aditivos sin retracción para alterar las propiedades de la lechada en aplicaciones específicas.

ADITIVOS ANTI-DESLAVE Los aditivos anti-deslave aumentan la cohesión del concreto hasta un nivel que permita su exposición limitada al agua, resultando en poca pérdida de cemento. Esto permite el colado del concreto en agua y bajo el agua sin el uso de tubos embutidos (tubo tremie). Estos aditivos aumentan la viscosidad del agua en la mezcla, resultando en una mezcla con mayor tixotropía y resistencia a la segregación. Normalmente, estos aditivos consisten en éter de celulosa soluble en agua o polímeros acrílicos.

ADITIVOS FORMADORES DE GAS El polvo de aluminio y otros materiales formadores de gas se adicionan algunas veces al concreto y a la lechada en cantidades muy pequeñas para causar una pequeña expansión de la mezcla antes de su endurecimiento. Esto puede ser benéfico donde sea necesaria la cementación completa de un espacio confinado, tal como bajo las bases de máquinas o en ductos de postensados en concretos pretensados. Estos materiales se usan también en mayores cantidades para producir concretos celulares autoclavados. La cantidad de expansión que ocurre depende de la cantidad de material formador de gas que se emplee, la temperatura de la mezcla fresca, el contenido de álcali del cemento y otras variables. Donde la cantidad de expansión sea crítica, se deben controlar cuidadosamente las mezclas y las temperaturas. Los agentes formadores de gas no van a superar la retracción causada por secado o carbonatación, después del endurecimiento.

COMPATIBILIDAD DE LOS ADITIVOS Y LOS MATERIALES CEMENTANTES Los problemas en el concreto fresco muchas veces resultan de la incompatibilidad entre el cemento y el aditivo o entre los aditivos. La incompatibilidad entre los materiales cementantes suplementarios y los aditivos o cementos también puede ocurrir. Tales incompatibilidades pueden resultar en pérdida de revenimiento (asentamiento), pérdida de aire, agarrotamiento rápido y otros factores. Como estos problemas afectan principalmente el concreto en el estado fresco, el desempeño a largo plazo del concreto endurecido también se puede modificar adversamente. Por ejemplo, el agarrotamiento rápido puede dificultar la consolidación del concreto, comprometiendo su resistencia. Aún no se encuentran disponibles ensayos fiables para la determinación de las incompatibilidades debidas a variaciones en los materiales, equipos de mezcla, tiempo de mezcla y factores ambientales. Las pruebas conducidas en laboratorio no reflejan las condiciones experimentadas por el concreto en la obra. Cuando se descubre la incompatibilidad en la obra, normalmente la solución usada es el cambio del aditivo o del material cementante (Helmuth, Hills, Whiting y Bhattacharja 1995, Tagni-Hamou y Aïtcin 1993 y Tang y Bhattacharja 1997).

PURGADOR DE AIRE Los aditivos purgadores de aire reducen el contenido de aire en el concreto. Se usan cuando no se puede reducir el contenido de aire con el ajuste de la proporción o con el cambio de la dosis del agente inclusor de aire y de otros aditivos. Sin embargo, los aditivos purgadores de aire se emplean muy raramente y su eficiencia y dosis se deben establecer en mezclas de prueba antes de su empleo en las mezclas de obra. Los materiales usados en los agentes purgadores de aire se presentan en la Tabla 6-1.

ALMACENAMIENTO Y DOSIFICACIÓN DE LOS ADITIVOS QUÍMICOS Los aditivos químicos se pueden almacenar en toneles o cisternas. Los aditivos en polvo se pueden poner en cajas especiales y algunos están disponibles en bolsas plásticas con las proporciones preestablecidas. Los aditivos adicionados a los camiones mezcladores en la obra, normalmente están en bolsas. Los aditivos en polvo, como algunos superplastificantes o los toneles de aditivos se deben almacenar en obra. Las cisternas en las plantas de concreto se deben identificar adecuadamente para que se evite la contaminación o

ADITIVOS FUNGICIDA, GERMICIDA E INSECTICIDA El crecimiento de bacterias y fungos en el concreto endurecido se puede controlar parcialmente a través del empleo de aditivos fungicida, germicida e insecticida. Los materiales más eficientes son los fenoles polihalogenados, las emulsiones de dieldrin y los compuestos de cobre. La eficiencia de estos materiales generalmente es temporaria y, 148


Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto el mezclado del aditivo errado. La mayoría de los aditivos líquidos no se deben congelar, por lo tanto se deben almacenar en ambientes calientes o calentados. Consulte al fabricante del aditivo sobre la temperatura de almacenamiento adecuada. Los aditivos en polvo normalmente son menos sensibles a las temperaturas, pero pueden ser sensibles a la humedad. Los aditivos químicos líquidos normalmente se dosifican separadamente en el agua de la mezcla de manera volumétrica (Fig. 6-20). Los aditivos líquidos y en polvo se pueden medir en masa, pero los aditivos en polvo no se deben medir en volumen. Se deben tomar algunas precauciones para no combinar ciertos aditivos antes de su dosificación, pues algunas combinaciones pueden neutralizar el efecto deseado. Consulte a los fabricantes de los aditivos sobre las combinaciones de aditivos compatibles o sobre los ensayos de laboratorio que comprueben su desempeño.

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Fig. 6-20. El dosificador de aditivo líquido en una planta de concreto premezclado fornece una medida volumétrica precisa de los aditivos. (44220)

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Capítulo 6 ◆ Aditivos para Concreto Whiting, David, Effects of High-Range Water Reducers on Some Properties of Fresh and Hardened Concretes (Efectos de los Reductores de Agua de Alto Rango sobre Algunas Propiedades del Concreto Fresco y Endurecido), Research and Development Bulletin RD061, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/RD061.pdf, 1979. Whiting, David A., Evaluation of Super-Water Reducers for Highway Applications (Evaluación de los Súper Reductores de Agua para Aplicaciones en Carreteras), Research and Development Bulletin RD078, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/RD078.pdf, 1981, 169 páginas. Whiting, D., y Dziedzic, W., Effects of Conventional and HighRange Water Reducers on Concrete Properties (Efectos de los Reductores de Agua Convencionales y del Alto Rango sobre las Propiedades del Concreto), Research and Development Bulletin RD107, Portland Cement Association, 1992, 25 páginas. Whiting, David A., y Nagi, Mohamad A., Manual on the Control of Air Content in Concrete (Manual del Control del Contenido de Aire en el Concreto), EB116, National Ready Mixed Concrete Association and Portland Cement Association, 1998, 42 páginas.

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

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Capítulo 7

Fibras Las fibras fueron usadas como material de construcción por muchos siglos. En las últimas tres décadas hubo un crecimiento por el interés en el uso de fibras en concreto premezclado, concreto prefabricado y concreto lanzado (hormigón proyectado, gunitado). Las fibras de acero, plástico, vidrio y materiales naturales (celulosa de madera) están disponibles en una amplia variedad de formas, tamaños y espesor; pueden ser cilíndricas, llanas, onduladas (rizadas) y deformadas con longitud típica de 60 mm a 150 mm (0.25 pulg. a 6 pulg.) y espesor variando de 0.005 mm a 0.75 mm (0.0002 pulg. a 0.03 pulg.) (Fig. 71). Las fibras se añaden al concreto durante el mezclado. Los factores principales que controlan el desempeño del material compósito son: 1. Propiedades físicas de las fibras y de la matriz 2. Resistencia de adherencia entre la fibra y la matriz A pesar de que los principios básicos gobernantes en los refuerzos convencionales y en los sistemas con fibras son los mismos, hay varias características que los diferencian: 1. Las fibras se distribuyen aleatoriamente por toda la sección transversal, mientras que las barras de refuerzo o armadura se ponen sólo donde son necesarias

2. La mayoría de las fibras son relativamente cortas y poco espaciadas si comparadas a las barras continuas de refuerzo 3. Generalmente no es posible lograrse la misma relación de área de refuerzo- área de concreto con el uso de fibras si comparado a la red de refuerzo con barras. Las fibras se adicionan al concreto normalmente en bajos volúmenes (frecuentemente menos del 1%) y han mostrado eficiencia en el control de la fisuración por retracción. En general, las fibras no alteran considerablemente la retracción libre del concreto, pero, si empleadas en cantidades adecuadas, pueden aumentar la resistencia al agrietamiento y disminuir la abertura de las fisuras (Shah, Weiss e Yang 1998).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE FIBRAS Las fibras se distribuyen aleatoriamente por la sección transversal del concreto. Por lo tanto, muchas fibras se localizan inadecuadamente con relación a la resistencia a las tensiones resultantes de las cargas aplicadas. Dependiendo del método de fabricación, la orientación aleatoria puede ser bi-dimensional (2-D) o tri-dimensional (3-D). Normalmente el método de rociado promueve una orientación 2-D de las fibras, mientras que los métodos de producción con mezcladoras promueven una orientación 3-D. Además, se pueden observar que muchas fibras cruzan las fisuras con ángulos diferentes de 90° o pueden tener una longitud embebida (anclaje) menor que la necesaria para el desarrollo de una unión fibra-matriz adecuada. Así, apenas un pequeño porcentaje del contenido de fibras puede resistir eficientemente a las tensiones de tracción (esfuerzo de tensión) o flexión. Los “factores de eficiencia” pueden ser tan bajos cuanto 0.4 para la orientación 2-D y 0.25 para la orientación 3-D. El factor de eficiencia depende de la longitud de la fibra y de la lon-

Fig. 7-1. Se pueden usar en concreto fibras de acero, de vidrio, sintéticas y naturales, con diferentes longitudes y formas. (69965) 153


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 se usa para levantar el metal liquido de una superficie de metal fundido, a través de la acción de capilaridad. El metal fundido extraído se congela rápidamente en forma de fibras y se quita de la rueda por la fuerza centrífuga. Las fibras resultantes tienen una sección transversal en forma de medialuna. Tipo IV – otras fibras. Para las tolerancias de longitud, diámetro y esbeltez, bien como las resistencias a tracción (tensión) mínimas y los requisitos a flexión, consulte la ASTM A 820. Los volúmenes de fibras de acero usados en concreto normalmente varían del 0.25% al 2%. Volúmenes mayores que 2% generalmente reducen la trabajabilidad y la dispersión de las fibras y requieren un diseño especial de las mezclas o técnicas especiales de colado. La presencia de las fibras afecta ligeramente la resistencia a compresión. La adición del 1.5% (en volumen) de fibras de acero puede aumentar la resistencia a tracción directa hasta 40% y la resistencia a la flexión hasta 150%. Las fibras de acero no afectan la retracción (contracción) libre. Las fibras de acero retardan la fractura del concreto restringido durante la contracción y mejoran la relajación de tensiones por el mecanismo de fluencia (Altoubat y Lange 2001). La durabilidad del concreto reforzado con fibras de acero depende de los mismos factores que el concreto convencional. No se disminuye la resistencia a la congelacióndeshielo con la adición de fibras de acero, siempre que haya incorporación de aire, se consolide correctamente el concreto y haya un ajuste de la mezcla para que pueda acomodar las fibras. Si se proporciona y coloca el concreto correctamente, va a ocurrir poca o ninguna corrosión de las fibras. Cualquier corrosión de las fibras en la superficie del concreto es sencillamente un problema de apariencia y no una condición estructural. Las fibras de acero presentan módulo de elasticidad relativamente alto (Tabla 7-1). Se puede aumentar su adherencia o unión con la matriz de cemento a través del anclaje mecánico o de la aspereza superficial. Las fibras están protegidas de la corrosión por la alta alcalinidad del ambiente en la matriz de cemento (ACI 544.1R-96). Las fibras de acero se usan comúnmente en pavimentos de aeropuertos y en las capas de revestimiento de las pistas. También se usan en los tableros de puentes (cubiertas para puentes) (Fig. 7-3), pisos industriales y pavimentos de autopistas. El concreto con fibras de acero en estructuras sometidas al agua en alta velocidad han mostrado que pueden durar hasta tres veces más que las alternativas en concreto convencional. El concreto reforzado con fibras de acero se emplea en muchas aplicaciones de concreto prefabricado donde sea necesario un aumento de la resistencia al impacto o de la tenacidad. En los tanques sépticos, las fibras de acero sustituyen el refuerzo convencional. Las fibras de acero también se usan largamente en el concreto lanzado en aplicaciones de capas delgadas, espe-

gitud crítica embebida. Del punto de vista conceptual, el refuerzo con fibras no es un método altamente eficiente para la obtención de la resistencia del compósito. Los concretos con fibras son más adecuados para el uso en secciones muy delgadas, donde la correcta colocación de la armadura convencional sería extremamente difícil. Además, el concreto con fibras rociado es ideal para la fabricación de productos con formas irregulares. Se puede disminuir considerablemente el peso con el uso de secciones relativamente delgadas de concreto con fibras, las cuales poseen resistencia equivalente a secciones mucho más gruesas de concreto reforzado (armado) convencional.

TIPOS Y PROPIEDADES DE FIBRAS Y SU EFECTO EN EL CONCRETO Fibras de Acero Las fibras de acero cortas son pequeños pedazos descontinuos de acero con un aspecto o esbeltez (relación entre longitud y diámetro) que varía entre 20 y 100 y con muchas secciones transversales. Algunas fibras de acero tienen extremos conformados para mejorar la resistencia al arrancamiento de la matriz a base de cemento (Fig. 7-2). La norma ASTM A 820 clasifica las fibras de acero cuanto a su manufactura en cuatro tipos: Tipo 1 – las fibras de alambre conformadas a frío son las más fácilmente encontradas en el mercado, fabricadas de alambre de acero conformado. Tipo II – las fibras cortadas de chapas se fabrican como el propio nombre dice: las fibras de acero se cortan de las chapas de acero. Tipo III – las fibras extraídas de fundición, las cuales se fabrican por técnicas relativamente complicadas donde una rueda en rotación

Fig. 7-2. Las fibras de acero con extremos conformados se pegan para formar haces que facilitan el manoseo y el mezclado. Durante el mezclado, los haces se separan en fibras individuales. (69992) 154


Capítulo 7 ◆ Fibras Tabla 7-1. Propiedades de Tipos de Fibras Seleccionadas

Tipo de fibra Acero Vidrio E RA

Densidad relativa (gravedad específica)

Diámetro, µm (0.001 pulg.)

7.80

100-1000 (4-40)

2.54

8-15 (0.3-0.6)

2.70

12-20 (0.5-0.8)

1.18

5.17 (0.2-0.7)

1.44

10-12 (0.4-0.47)

1.90

8-9 (0.3-0.35)

1.14

23 (0.9)

1.38

10-80 (0.4-3.0)

0.96

25-1000 (1-40)

0.90

20-200 (0.8-8)

1.50

25-125 (1-5)

Resistencia a tracción, MPa [kg/cm2] (ksi) 500-2600 [5,100-27,000] (70-380)

Módulo de elasticidad, MPa [kg/cm2] (ksi) 210,000 [2100,000] (30,000)

2000-4000 [20,000-41,000] (290-580) 1500-3700 [15,000-38,000] (220-540)

72,000 [730,000] (10,400) 80,000 [820,000] (11,600)

200-1000 [2,000-10,000] (30-145) 2000-3100 [20,000-32,000] (300-450) 1800-2600 [18,000-27,000] (260-380) 1000 [10,000] (140) 280-1200 [2900-12,000] (40-170) 80-600 [800-6100] (11-85) 450-700 [4600-7100] (65-100)

17,000-19,000 [170,000-190,000] (2,500-2,800) 62,000-120,000 [630,000-1220,000] (9,000-17,000) 230,000-380,000 [2300,000-3900,000] (33,400-55,100) 5,200 [53,000] (750) 10,000-18,000 [100,000-180,000] (1,500-2,500) 5,000 [50,000] (725) 3,500-5,200 [36,000-53,000] (500-750)

350-2000 [3600-20,000] (51-290) 280-600 [2900-6100] (40-85) 120-200 [1200-2000] (17-29) 350-500 [3600-5100] (51-73) 250-350 [2500-3600] (36-51) 180 [1800] (26)

10,000-40,000 [100,000-400,000] (1,500-5,800) 13,000-25,000 [130,000-250,000] (1,900-3,800) 19,000-25,000 [190,000-250,000] (2,800-3,800) 33,000-40,000 [340,000-410,000] (4,800-5,800) 25,000-32,000 [250,000-330,000] (3,800-4,600) 4,900 [50,000] (710)

Sintética Acrílica

Aramida

Carbón

Nylon Poliéster

Polietileno Polipropileno

Natural Celulosa de madera Sisal

Coco 1.12-1.15

100-400 (4-16)

1.50

50-400 (2-16)

1.02-1.04

100-200 (4-8)

Bambú

Yute

Pasto elefante

425 (17)

Deformación en la rotura, % 0.5-3.5

3.0-4.8 2.5-3.6

28-50

2-3.5

0.5-1.5 20 10-50 12-100 6-15

3.5

10-25

1.5-1.9 3.6

Adaptado de PCA (1991) y ACI 544.1R-96.

El concreto con fibras impregnadas por lechada (SIFCON) con volúmenes de hasta 20% de fibras se ha usado desde finales de los años 70. El concreto impregnado por lechada se puede emplear para producir un componente o una estructura con resistencia y ductilidad mucho mayores que las encontradas en el concreto convencional y en concreto lanzado. El concreto con fibras

cialmente en la estabilización de la inclinación de rocas y revestimiento de túneles. El humo de sílice y los acelerantes han permitido que se coloque el concreto lanzado en camadas más espesas. El humo de sílice reduce la permeabilidad del concreto lanzado (Morgan 1987). El concreto lanzado con fibras de acero se ha empleado con altos volúmenes de fibras (hasta 2%) con suceso. 155


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Tabla 7-2. Diseño de Mezcla del SIFCON Cemento Agua Arena siliciosa ≤ 0.7mm (≤ 0.028 pulg.)

1000 kg/m3 (1686 lb/yd3) 330 kg/m3 (556 lb/yd3) 860 kg/m3 (1450 lb/yd3)

Lechada de sílice

13 kg/m3 (1.3 lb/yd3)

Reductor de agua de alto rango

35 kg/m3 (3.7 lb/yd3)

Fibras de acero (cerca de 10% vol.)

800 kg/m3 (84 lb/yd3)

Fibras de Vidrio La primera investigación sobre fibras de vidrio a principio de los años 60 usó vidrio convencional de borosilicato (fibras de vidrio-E) (Tabla 7-1) y fibras de vidrio de sílicecal-soda (fibra de vidrio-A). Los resultados de las pruebas mostraron que la reactividad entre las fibras de vidrio–E y la pasta de cemento reduce la resistencia del concreto. El avanzo de las investigaciones ha resultado en la creación de las fibras de vidrio resistentes a álcalis (Fibras de vidrio RA) (Tabla 7-1), las cuales aumentaron la durabilidad a largo plazo, pero fueron observadas otras fuentes de pérdida de resistencia. Una fuente conocida es la rigidización de los filamentos por la infiltración de partículas de hidróxido calcio (producto de la hidratación del cemento) entre los haces de fibras. La reactividad con los álcalis y la hidratación del cemento son la base para las dos teorías más aceptas sobre la pérdida de la resistencia y de la ductilidad, principalmente en concreto reforzado con fibras de vidrio en áreas externas: • El ataque de las fibras de vidrio por álcalis reduce la resistencia a tracción de las fibras y, consecuentemente, baja la resistencia a compresión. • El proceso de hidratación del cemento promueve la penetración de partículas de hidróxido de calcio en los haces de fibras, aumentando la resistencia de adherencia entre fibra y matriz y la rigidez, siendo que ésta última disminuye la resistencia a tracción por inhibir el arrancamiento de la fibra. Las modificaciones de las fibras con intención de aumentar la durabilidad envuelven: (1) revestimientos químicos especialmente formulados para ayudar en el combate de la rigidización inducida por la hidratación, y (2) uso de una lechada con humo de sílice dispersa para rellenar los vacíos entre las fibras, reduciendo la capacidad de infiltración del hidróxido de calcio. Japón ha desarrollado un cemento con bajo contenido de álcalis, que no produce hidróxido de calcio durante su hidratación. Ensayos acelerados del concreto producido con este cemento y reforzado con fibras de vidrio resistentes a álcalis han logrado mucho más durabilidad que otros tipos de cemento. Se puede usar la metacaolinita en concretos reforzados con fibras de vidrio sin afectar considerablemente la resistencia a flexión, la deformación, el módulo de elasticidad y la tenacidad (Marikunte, Aldea, Shah 1997). La mayor aplicación del concreto reforzado con fibras de vidrio es la producción de paneles de fachada (Fig. 7-5). Otras aplicaciones se presentan en PCA (1991).

Fig. 7-3. Tablero de puente (cubiertas para puentes) con fibras de acero. (70007)

impregnadas por lechada (SIFCON) no es barato y necesita de ajuste fino, pero aún mantiene su potencial para las aplicaciones expuestas a condiciones severas y que requieran alta resistencia y tenacidad. Estas aplicaciones incluyen estructuras resistentes al impacto y a la explosión, refractarios, muros de arrimo y reparos de pavimentos y pistas (Fig. 7-4). La Tabla 7-2 presenta las proporciones de las mezclas de este material.

Fig. 7-4. Haces de fibras de acero se ponen en la cimbra, antes que la pasta de cemento se derrame en esta aplicación de concreto con fibras de acero impregnadas por lechada. (60672) 156


Capítulo 7 ◆ Fibras módulo de elasticidad de las fibras de polipropileno y polietileno y (4) el alto coste de las fibras de carbón y aramida. Las fibras de polipropileno (Fig. 7-6), las más populares de las fibras sintéticas, son químicamente inertes, hidrofóbicas y ligeras. Se producen como monofilamentos cilíndricos continuos que se pueden cortar en longitudes específicas o como filmes y cintas. Estas fibras se componen de finas fibrillas de sección transversal rectangular (Fig. 7-7). Usadas en un volumen mínimo de 0.1% del volumen del concreto, las fibras de polipropileno reducen la fisuración (agrietamiento) por retracción plástica y disminuyen el agrietamiento sobre la armadura de acero (Suprenant y Malish 1999). La presencia de las fibras de polipropileno en el concreto puede reducir el revenimiento (asentamiento) o la sedimentación de las partículas de agregados, así, reduciendo los canales capilares de sangrado (exudación). Las fibras de polipropileno pueden reducir el descascaramiento del concreto de alta

Fig. 7-5. (Superior) Los paneles de concreto reforzado con fibras de vidrio son ligeros y suficientemente fuertes para reducir los requisitos estructurales de este edificio. (Inferior) La fabricación por rociado ha facilitado sus perfiles encorvados (60671, 46228)

Fibras Sintéticas

Fig. 7-6. Fibras de polipropileno. (69796)

Las fibras sintéticas son las fibras que se fabrican por el hombre y son resultado de la investigación y el desarrollo de las industrias petroquímicas y textiles. Los tipos de fibras usadas en concreto son: acrílicas, aramida, carbón, nylon, poliéster, polietileno y polipropileno. La Tabla 7-1 resume la variación en las propiedades físicas de estas fibras. Las fibras sintéticas pueden reducir la retracción plástica y consecuentemente la fisuración y pueden ayudar el concreto después que se fisura. La camada ultra delgada de concreto (whitetopping ultra delgado) normalmente usa fibras sintéticas para la contención potencial de las propiedades para retardar el desarrollo de baches. Los problemas asociados con fibras sintéticas incluyen: (1) baja adherencia fibra-matriz; (2) pruebas de desempeño no concluyentes para volúmenes bajos de fibras de polipropileno, polietileno, poliéster y nylon; (3) bajo

Fig. 7-7. Las fibras de polipropileno se producen como (izquierda) fibrillas finas con sección transversal rectangular o (derecha) monofilamentos cilíndricos. (69993)

157


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 fibras de nylon se tejen de los polímeros de nylon y se transforman a través de extrusión, estiramiento y calentamiento para formar una estructura de fibras orientada y cristalina. En aplicaciones en concreto, se tejen hilos de alta tenacidad (alta resistencia a tracción) y estables a altas temperaturas y a la luz y, posteriormente, se cortan en pequeñas longitudes. Las fibras de nylon presentan tenacidad, ductilidad y recuperación de elasticidad buenas. El nylon es hidrófilo, con retención de humedad del 4.5%, que aumenta la demanda de agua en el concreto. Sin embargo, esto no afecta la hidratación y trabajabilidad del concreto con bajo contenido de fibras (del 0.1% al 0.2% en volumen), pero se lo debe considerar si se usan volúmenes más altos de fibras. Esta cantidad relativamente pequeña de fibras tiene potencialmente mayor capacidad de refuerzo que bajos volúmenes de fibras de polipropileno y poliéster. El nylon es relativamente inerte y resistente a una amplia variedad de materiales orgánicos e inorgánicos, incluyendo álcalis fuertes. Las fibras sintéticas se usan también en estuco y mortero. Para estas aplicaciones, las fibras son más cortas que las fibras sintéticas para concreto. Normalmente se emplean pequeñas cantidades de fibras de 13mm (1⁄2 pulg.) de longitud, resistentes a álcalis para basar mezclas de revoque de revestimiento. Se las puede usar en pequeñas hileras de estuco y bombas de mortero y pistola spray. Se las debe añadir a la mezcla de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Para más detalles sobre las propiedades físicas y químicas de las fibras sintéticas y sobre las propiedades del concreto con fibras sintéticas, consulte el ACI 544.1R. La ASTM C 1116 clasifica los concretos y concretos lanzados reforzados con fibras sintéticas, de acero y de vidrio. La tecnología de molienda conjunta de cementos con fibras tiene la ventaja de que algunas fibras sintéticas no se destruyen o se pulverizan en el molino de cemento. Las fibras se mezclan con el cemento anhidro durante su molienda para que sean uniformemente distribuidas. Además, durante la molienda, la superficie de las fibras se vuelve áspera, mejorando su adherencia mecánica con la pasta de cemento (Vondran 1995).

resistencia y del concreto de baja permeabilidad expuesto al fuego en un ambiente con humedad. Los nuevos desarrollos muestran que las fibras monofiladas son capaces de fibrilar durante el mezclado si producidas con ambas resinas de polipropileno y polietileno. Los dos polímeros son incompatibles y tienden a separarse cuando manipulados. Por lo tanto, durante el proceso de mezclado, cada fibra se convierte en una unidad con varias fibrillas en su extremo. Las fibrillas proporcionan una adherencia mecánica mejor que los monofilamentos convencionales. El gran número de finas fibrillas también reduce la fisuración por retracción plástica y puede aumentar la ductilidad y la tenacidad del concreto (Trottier y Mahoney 2001). Las fibras acrílicas se han mostrado como el sustituto más prometedor para las fibras de asbestos. Se usan en tablones de cemento y en la producción de tejas, donde el volumen de fibras de hasta 3% puede producir un compósito con propiedades mecánicas similares a aquéllas de los compósitos de asbesto-cemento. Los compósitos de concreto con fibras acrílicas exhiben alta tenacidad posfisuración y alta ductilidad. A pesar de que la resistencia a flexión de los concretos reforzados con fibras acrílicas sea menor que la de los compósitos de cemento-asbesto, aún es más que suficiente para muchas aplicaciones en construcción. Las fibras de aramida tienen alta resistencia a tracción y alto módulo de tracción. La fibras de aramida son dos veces y media más resistentes que las fibras de vidrio E y cinco veces más resistentes que las fibras de acero. PCA (1991) presenta una comparación de las propiedades mecánicas de diferentes fibras de aramida. Además de las excelentes características de resistencia, las fibras de aramida también tienen excelente retención de resistencia hasta 160°C (320°F), estabilidad dimensional hasta 200°C (392°F), resistencia a fatiga estática y dinámica y resistencia a fluencia. La hebra de aramida está disponible con gran variedad de diámetros. Las fibras de carbón se desarrollaron principalmente por sus propiedades de alta resistencia y módulo de elasticidad y propiedades de rigidez para la aplicación en la industria aeroespacial. Comparadas con la mayoría de las otras fibras sintéticas, la producción de las fibras de carbón es costosa y tiene desarrollo comercial limitado. Las fibras de carbón tienen alta resistencia a tracción y alto módulo de elasticidad (Tabla 7-1). También son inertes a la mayoría de los productos químicos. Las fibras de carbón se producen normalmente en hebras que deben contener hasta 12,000 filamentos individuales. Las hebras comúnmente se dispersan antes de su incorporación en el concreto para facilitar la penetración de la matriz de cemento y maximizar la efectividad de la fibra. Hay varios tipos de fibras de nylon en el mercado para uso en vestuario, muebles domésticos y aplicaciones industriales y textiles, pero hay sólo dos tipos de fibras de nylon para uso en concreto, el nylon 6 y el nylon 66. Las

Fibras Naturales Las fibras naturales se han usado como una forma de refuerzo desde mucho tiempo antes de la llegada de la armadura convencional de concreto. Los ladrillos de barro reforzados con paja y morteros reforzados con crin de caballo son unos pocos ejemplos de como las fibras naturales se usaron como una forma de refuerzo. Muchos materiales de refuerzo natural se pueden obtener con bajos niveles de costes y energía, usando la mano de obra y la pericia disponibles en la región. Estas fibras se usan en la producción de concretos con bajo contenido de fibras y, ocasionalmente, se han usado en planchas finas de con158


Capítulo 7 ◆ Fibras creto con alto contenido de fibras. Consulte la Tabla 7-1 para más información sobre las propiedades típicas de las fibras naturales.

entre las fibras, lo que puede reducir la microfisuración y aumentar la resistencia a tracción del concreto. Las aplicaciones indicadas para este material son reparos y remiendos delgados (Banthia y Bindiganavile 2001). Se supone que el sistema combine la tenacidad y la resistencia al impacto del concreto reforzado con fibras de acero con la reducción de la fisuración por retracción plástica de los concretos con fibras de polipropileno. Se ha empleado una mezcla de 30 kg/m3 (50 lb/yarda3) de fibras de acero con 0.9 kg/m3 (11⁄2 lb/yarda3) de fibras de polipropileno fibrilado en las losas sobre el terreno de un proyecto en el área de Chicago (Wojtysiak y otros 2001). El concreto con una mezcla de fibras tenía un revenimiento menor si comparado con el concreto convencional, pero ha alcanzado resistencia elástica y pos-elástica.

Fibras Naturales No Procesadas A final de los años 60, se hicieron investigaciones sobre las propiedades de ingeniería de las fibras naturales y de los concretos producidos con ellas. El resultado fue que se pueden usar estas fibras con éxito para la producción de planchas finas para muros y techos. Se produjeron elementos compuestos de cemento portland y fibras naturales no procesadas, tales como fibras de coco, sisal, bambú, yute, madera y fibras vegetales. A pesar de que los concretos producidos con fibras naturales presentan propiedades mecánicas buenas, tienen algunos problemas de durabilidad. Muchas de estas fibras son altamente susceptibles a los cambios de volumen debido a variaciones de la humedad que contienen. Los cambios de volumen de las fibras que acompañan los de humedad pueden afectar drásticamente la resistencia de adherencia entre la fibra y la matriz.

REFERENCIAS ACI Committee 544, State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete (Informe del Estado del Arte del Concreto Reforzado con Fibras), ACI 544.1R-96, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1997. Altoubat, Salah A. y Lange, David A., “Creep, Shrinkage, and Cracking of Restrained Concrete at Early Age (Fluencia, Contracción y Fisuración del Concreto Restringido a Bajas Edades),” ACI Materials Journal, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, Julio-Agosto 2001, páginas 323 a 331.

Fibras de Madera (Fibras Naturales Procesadas) El método por el cual las fibras se extraen y los procesos de refinamiento influyen grandemente las propiedades de las fibras de celulosa. El proceso por el cual la madera se reduce a una masa de fibras se llama reducción a pulpa. El proceso kraft es uno de los más empleados en la producción de fibras de celulosa. Este proceso consiste en cocinar la viruta de madera en una solución de hidróxido de sodio, carbonato de sodio y sulfuro de sodio. Las fibras de celulosa tienen relativamente buenas propiedades mecánicas si comparadas con muchas fibras producidas industrialmente, tales como polipropileno, polietileno, poliéster y acrílicas. Fibras de celulosa sin lignina (con la lignina removida) se pueden producir con resistencia a tracción de hasta 20,000 kg/cm2 o 2000 MPa (290 ksi) con especies seleccionadas de madera y proceso de reducción a pulpa. La resistencia a tracción de las fibras de 5,100 kg/cm2 o 500 MPa (79 ksi) se puede producir habitualmente usando un proceso químico de reducción a pulpa y maderas más comunes y menos caras.

Banthia, Nemkumar y Bindiganavile, Vivek, “Repairing with Hybrid-Fiber-Reinforced Concrete (Reparo con Concreto Reforzado con Fibras Híbridas),” Concrete International, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, Junio 2001, páginas 29 a 32. Bijen, J., “Durability of Some Glass Fiber Reinforced Cement Composites (Durabilidad de Algunos Compósitos de Cemento Reforzados con Fibras de Vidrio),” ACI Journal, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, Julio-Agosto 1983, páginas 305 a 311. Hanna, Amir N., Steel Fiber Reinforced Concrete Properties and Resurfacing Applications (Propiedades del Concreto Reforzado con Fibras de Acero y Aplicaciones de Recapeo), Research and Development Bulletin RD049, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/ RD049.pdf, 1977, 18 páginas. Johnston, Colin D., Fiber Reinforced Cement and Concretes (Concretos y Cementos Reforzados con Fibras), LT249, Gordon & Breach, Amsterdam, 2000, 368 páginas.

SISTEMAS MÚLTIPLOS DE FIBRAS En un sistema múltiplo de fibras se mezclan dos o más tipos de fibras. El concreto con fibras híbridas combina macro y micro fibras de acero. El uso de una mezcla de macro fibras y las recientemente desarrolladas micro fibras de acero, las cuales tienen menos de 10 mm (0.4 pulg.) de longitud y menos de 100 micrómetros (0.004 pulg.) de diámetro, conduce a un menor espaciamiento 159


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Marikunte, S.; Aldea, C. y Shah, S., “Durability of Glass Fiber Reinforced Cement Composites: Effect of Silica Fume and Metakaolin (Durabilidad de los Compósitos Reforzados con Fibras de Vidrio: Efecto del humo de sílice y de la metacaolinita),” Advanced Cement Based Materials, Volume 5, Numbers 3/4, Abril/Mayo 1997, páginas 100 a 108.

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160


Capítulo 8

Concreto con Aire Incluido carga eléctrica negativa es atraída hacia los granos de cemento cargados positivamente, lo que ayuda la estabilización de las burbujas. El aditivo inclusor de aire forma una película resistente, repelente al agua, similar a una película de jabón, con resistencia y elasticidad suficientes para contener y estabilizar las burbujas de aire y prevenir que se junten. La película hidrófoba también mantiene el agua fuera de las burbujas. La agitación y el amasamiento del promovidos por el mezclado mecánico dispersan las burbujas de aire. Las partículas de agregado fino también actúan como rejilla tridimensional para ayudar a sostener las burbujas en la mezcla. Las burbujas de aire incluido no son como los vacíos de aire atrapado (aire ocluido), que ocurren en todos los concretos como resultado del mezclado, manejo y colocación (colado) y que dependen grandemente de las características de los agregados. Las burbujas de aire intencionalmente incorporado son extremamente pequeñas, con diámetro entre 10 y 1000 µm, mientras que los vacíos atrapados en el concreto convencional son normalmente mayores que 1000 µm (1 mm). La mayoría de los vacíos de aire incluido tienen de 10 a 100 µm de diámetro. La Figura 8-1 enseña que las burbujas no se conectan, están bien dispersas y uniformemente distribuidas. El concreto sin aire incluido con un tamaño máximo de agregado de 25 mm (1 pulg.) tiene un contenido de aire de aproximadamente 11⁄2 %. La misma mezcla con aire incluido necesita un contenido de aire de 6% (incluyendo vacíos “atrapados” mayores y vacíos “incorporados” menores) para resistir a las condiciones de exposición a congelación severa.

Uno de los grandes avanzos en la tecnología del concreto fue el desarrollo del concreto con aire incluido (incorporado) en la mitad de la década de 30. Hoy en día, la incorporación del aire se recomienda para casi todos los concretos, principalmente para mejorar la resistencia a congelación-deshielo de concretos expuestos al agua y a los descongelantes. Sin embargo, la inclusión de aire presenta otros beneficios para el concreto fresco y el concreto endurecido. El concreto con aire incluido se produce con el uso de un cemento con inclusor (incorporador) de aire o con la adición de aditivo inclusor de aire durante eo mezclado. El aditivo inclusor de aire estabiliza las burbujas formadas durante el proceso del mezclado, realiza la incorporación de burbujas de varios tamaños con la disminución de la tensión superficial del agua de mezcla, impide la coalescencia de las burbujas y ancla las burbujas en el cemento y en las partículas de agregados. Los aditivos inclusores de aire aniónicos son hidrófobos (repelen el agua) y están cargados eléctricamente (los aditivos no iónicos también están disponibles). La

PROPIEDADES DEL CONCRETO CON AIRE INCLUIDO Las principales propiedades influenciadas por la incorporación de aire se enseñan en las secciones siguientes. Un breve sumario de otras propiedades se presenta en la Tabla 8-1.

Fig. 8-1. Sección pulida de un concreto con aire incluido, como se ve a través del microscopio. (67840)

161


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 8-1. Efecto del Aire Incluido sobre las Propiedades del Concreto

Resistencia a la Congelación-Deshielo La resistencia del concreto endurecido a la congelación y al deshielo en la condición húmeda se mejora muchísimo con el uso intencional de aire incluido, aun cuando varios descongelantes están envueltos. Una prueba convincente de la mejoría de la durabilidad por la incorporación del aire se presenta en las Figuras 8-2 y 8-3. Como el agua de los concretos en medios húmedos se congela, se producen presiones osmótica e hidráulica en las capilaridades y poros de la pasta de cemento y en el agregado. Si la presión supera la resistencia a tracción (tensión) de la pasta o del agregado, la cavidad va a dilatarse y romperse. El efecto acumulativo de los ciclos sucesivos de congelación-deshielo y la ruptura de la pasta y del agregado puede causar una expansión significativa y el deterioro del concreto. Este deterioro es visible en la forma de fisuras (agrietamiento), descascariamiento y desmoronamiento (Fig. 8-3). Powers (1965) y Pigeon y Pleau (1995) revisaron extensivamente el mecanismo de acción de la congelación. Las presiones hidráulicas se causan por la expansión de 9% del agua congelada. En este proceso, los cristales de hielo en crecimiento sustituyen al agua que no se ha congelado. Si la saturación de los capilares es mayor que la saturación crítica (91.7% llenos de agua) las presiones

Propiedades Abrasión

Efecto Poco efecto; el aumento de la resistencia, aumenta la resistencia a abrasión Absorción Poco efecto Acabado Reducción debido al aumento de cohesión Adherencia al acero Disminución Cohesión Aumento de la cohesión, dificultando el acabado Revenimiento Aumenta con el incremento de aire apro(asentamiento) ximadamente 25 mm (1 pulg.) para cada 1⁄2 a 1 punto porcentual de aumento del aire. Calor de hidratación Poco efecto Calor específico Sin efecto Conductividad térmica Disminuye cerca del 1% al 3% para el aumento de cada punto porcentual del aire. Demanda de agua Disminuye con el aumento del contenido del concreto fresco de aire aproximadamente de 3 a 6 kg/m3 para un mismo (5 a 10 lb/yd3) por cada punto porcentual revenimiento del aire. (asentamiento) Densidad Reduce con el aumento del aire Descascaramiento Reducción significativa Descascaramiento Reducción significativa por descongelantes Difusividad térmica Disminuye cerca del 1.6% con el aumento de cada punto porcentual del aire. Estanquidad Aumenta un poco por la disminución de la relación agua/cemento Sangrado (exudación) Disminuye considerablemente Fatiga Poco efecto Fluencia Poco efecto Módulo de Con el aumento del aire, reduce aproxielasticidad (estático) madamente de 7,300 a 14,100 kg/cm2 o 720 a 1380 MPa (105,000 a 200,000 lb/pulg2) para cada porcentual de aire Permeabilidad Poco efecto, la disminución de la relación agua-cemento reduce la permeabilidad Reactividad La expansión disminuye con el aumento álcali-sílice del aire Resistencia a Reduce aproximadamente del 2% al 6% compresión para el aumento de cada punto porcentual del aire. Mezclas pobres pueden tener un aumento de la resistencia Resistencia a Aumento significativo de la resistencia al congelación-deshielo deterioro por congelación-deshielo en estado saturado Resistencia a flexión Reduce aproximadamente del 2% al 4% por el aumento de cada punto porcentual de aire Resistencia a los Mejoría considerable sulfatos Retracción (secado) Poco efecto Temperatura del Disminuye, con el aumento de aire, cerca concreto fresco de 3 a 6 kg/m3 (5 a 10 lb/yd3) por cada punto porcentual de aire Trabajabilidad Aumenta con el aumento de aire

2000

Ciclos de congelacíon-deshielo para la reducción de 50% del módulo de elasticidad dinámico

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 Símbolos: Sin aire incluido Con aire incluido

200 0

0

1

2

3

4

5

6

Contenido de aire, porcentaje

Fig. 8-2. Efecto de la inclusión de aire sobre la resistencia a la congelación-deshielo del concreto en ensayos de laboratorio. El concreto se produzco con cementos de finuras y composiciones diferentes y varios contenidos de cemento y relaciones agua-cemento (Bates y otros 1952 y Lerch 1960).

Nota: La información de la tabla puede no ser apicable a todas las situaciones.

162


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido

Fig. 8-3. Efecto del envejecimiento en cajas y losas sobre el terreno en una investigación de larga duración en ambiente externo, proyecto 10, PCA, Skokie, Illinois. Los especimenes de arriba se produjeron con 335 kg (564 lb) de cemento ASTM tipo I por metro cúbico (yarda cúbica). Periodicamente, se aplicó, sobre las losas, el descongelante de cloruro de calcio. Las fotos enseñan especimenes con 40 años de edad (véase Klieger 1963 para información sobre la mezcla de concreto). (69977, 69853, 69978, 69854)

hidráulicas se producirán a medida que progrese la congelación. Si el contenido de agua es menor, no debe haber presión hidráulica. Las presiones osmóticas se desarrollan por la diferencia de concentración de las soluciones de álcalis en la pasta (Powers 1965a). A medida que el agua pura se congela, la concentración de álcali aumenta en el agua liquida adyacente. Una solución con alta concentración de álcali, a través del mecanismo de ósmosis, extrae el agua de las soluciones en los poros con bajo contenido de álcali. Esta transferencia osmótica del agua continúa hasta que se alcance el equilibrio de la concentración de álcali en los fluidos. La presión osmótica se considera un factor de menor importancia, si acaso esté presente en la acción de congelamiento de los agregados, mientras que puede ser el factor dominante en algunas pastas de cemento. Las presiones osmóticas, como descritas arriba, se consideran como el principal factor para el descascaramiento (descascarillado, astilladura, desonchadura, despostilladura, engalletamiento, desmoronamiento, escamación, descamación, descantilladura) debido a los descongelantes. El hielo en los capilares (o cualquier hielo presente en los vacíos grandes o fisuras) tira el agua de los poros para avanzar su crecimiento. Además, como la mayoría de los poros en la pasta de cemento y en algunos agregados son muy pequeños para la formación de los cristales de hielo,

el agua intenta migrar para locales donde pueda congelarse. Los vacíos de aire incluido actúan como cámaras huecas en la pasta, donde el agua congelada y el agua emigrante pueden entrar, aliviando la presión descrita arriba y previniendo daños al concreto. Bajo la descongelación, la mayoría del agua retorna para los capilares debido a la acción capilar y a la presión del aire comprimido en las burbujas. Por lo tanto, las burbujas están preparadas para proteger el concreto del próximo ciclo de congelacióndeshielo (Powers 1955, Lerch 1960 y Powers 1965). La presión desarrollada por el agua, a medida que se expande durante la congelación, depende principalmente de la distancia que el agua debe recorrer hacia el vacío de aire más cercano para aliviarse. Por lo tanto, la distancia entre los vacíos debe ser suficientemente pequeña para reducir la presión hasta valores menores que la resistencia a tensión del concreto. La cantidad de presión hidráulica también se relaciona con la tasa de congelación y la permeabilidad de la pasta. El espaciamiento y el tamaño de los vacíos de aire son factores importantes que contribuyen para la eficiencia de la incorporación de aire en el concreto. La ASTM C 457 y la NTC 3791 describen métodos para la evaluación del sistema de vacíos de aire en el concreto endurecido. Muchas autoridades consideran las siguientes características de los 163


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Factor de espaciamiento, micrómetros

1100

apropiadas de acabado y curado y (5) resistencia a compresión de 290 kg/cm2 o 28 MPa (4000 lb/pulg2) cuando haya exposición del concreto a ciclos repetidos de congelación-deshielo. Incluso, hasta los concretos sin aire incluido van a ser más resistentes a congelación-deshielo si tuvieran baja relación agua-cemento. La Figura 8-5 ilustra el efecto de la relación agua-cemento sobre la durabilidad de los concretos sin aire incluido. Los elementos de concreto deben ser correctamente drenados y mantenidos secos lo máximo posible, pues grados mayores de saturación aumentan la probabilidad de fallas por ciclos de congelación-deshielo. El concreto seco o que contenga sólo una pequeña cantidad de humedad no se ve substancialmente afectado, aun cuando sujeto a un gran número de ciclos de congelacióndeshielo. Para consideraciones cuanto a la dosificación, consulte “Resistencia al Descascaramiento por Descongelante” y “Contenidos de Aire Recomendados” en este capítulo y en el Capítulo 9.

Mezclas sin aire incluido

1000

Mezclas con aire incluido

900 800 700 600 500 400 300 200 100

1

2

3 4 5 6 Contenido de aire en el concreto, %

7

Fig. 8-4. Factor de espaciamiento en función del contenido total de aire en el concreto (Pinto y Hover 2001).

vacíos de aire como representativas de un sistema con resistencia adecuada a congelación-deshielo (Powers 1949, Klieger 1952, Klieger 1956, Mielenz y otros 1958, Powers 1965, Klieger 1966, Whiting y Nagi 1998 y Pinto y Hover 2001). 1. Factor de espaciamiento calculado, ¿, (un índice relacionado con la distancia entre las burbujas pero no con el promedio del espaciamiento real del sistema) menor que 0.200 mm (0.008 pulg.) (Powers 1954 y 1965) 2. Superficie específica, , (área superficial de los vacíos de aire) igual o mayor que 24 mm2 por mm3 del volumen de los vacíos de aire (600 pulg2 por pulg3).

Módulo dinámico relativo, %

100 80 60 40 20 ASTM C 666

Relación agua-cemento 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

0 0

La práctica usual de control de calidad normalmente envuelve sólo la medida del volumen total de aire en el concreto recién mezclado. Este método no distingue, de ninguna forma, el tamaño de los vacíos de aire. El contenido de aire del concreto, con tamaño máximo del agregado igual a 19 mm ( 3⁄4 pulg.), debe ser aproximadamente 6% para que tenga una buena resistencia a congelación-deshielo. Taylor presenta (1948) la relación entre el contenido de aire de un mortero y un concreto estándar, mientras que Pinto y Hover (2001) presentan el contenido de aire en la pasta versus la resistencia al congelamiento. El contenido total de aire necesario para una durabilidad adecuada aumenta con la disminución del tamaño máximo del agregado, debido al mayor volumen de pasta, y con el aumento de la severidad de exposición (consulte “Contenidos de Aire Recomendados” más adelante en este capítulo). También se puede aumentar la resistencia a congelación-deshielo con el empleo de: (1) agregado de buena calidad, (2) baja relación agua-material cementante (máximo de 0.45), (3) contenido mínimo de material cementante de 335 kg/m3 (564 lb/yardas3), (4) técnicas

50 100 150 200 250 300 Número de ciclos de congelación-deshielo

350

Fig. 8-5. Factores de durabilidad versus número de ciclos de congelación-deshielo de concretos seleccionados sin aire incluido (Pinto y Hover 2001).

Resistencia al Descascaramiento por Descongelante Los productos químicos descongelantes (anticongelantes) usados para la remoción de la nieve pueden causar y agravar el descascaramiento de la superficie. Este daño es principalmente una acción física. Se cree que el descascaramiento por descongelantes, durante el congelamiento, en concretos con cantidad inadecuada de aire incluido o sin aire incluido, es resultado de la elevación de las presiones osmótica e hidráulica, superando las presiones hidráulicas normalmente producidas cuando el agua del concreto se congela. Estas presiones se vuelven críticas y resultan en descascaramiento, a menos que haya aire incluido en la superficie y en la masa del concreto para aliviar las presiones. Las propiedades higroscópicas (absorción de agua) de las sales de deshielo también atraen agua y mantienen el concreto más saturado, 164


0.4 Contenido de aire 2% 4% 6%

ASTM C 672 Ensayo de descascaramiento

0.3 0.2

0.1

0

10

20 30 Número de ciclos

40

Pérdida de masa acumulada, lb/pies 2

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

50

Fig. 8-6. Pérdida de masa acumulada de mezclas con relación agua-cemento de 0.45 y acabado inmediato (Pinto y Hover 2001).

concreto durante la congelación-deshielo. El aire incluido es eficiente en la prevención del descascaramiento y se lo recomienda para todos los concretos que puedan entrar en contacto con productos químicos de deshielo (Fig. 8-6). Un buen sistema de vacíos de aire, con bajo factor de espaciamiento (máximo de 200 micrómetros), tal vez sea más importante en los ambientes donde se aplican los descongelantes, que en los ambientes saturados congelados donde no haya presencia de descongelantes. La relación entre el factor de espaciamiento y el descascaramiento por descongelantes se enseña en la Figura 8-7. La relación agua-cemento portland baja ayuda a disminuir el descascaramiento, pero no es suficiente para controlarlo, cuando se usan relaciones agua-cemento normales (Fig. 8-8). La Figura 8-8 ilustra el impacto del contenido de aire sobre la eficiencia de la relación agua-cemento en el control del descascaramiento. Para proporcionar durabilidad y resistencia adecuadas al descascaramiento en ambientes con exposición severa y presencia de descongelantes, los concretos con aire incluido deben ser compuestos de materiales durables y deben tener: (1) baja relación agua-materiales cemen-

5

Clasificación visual

aumentando la probabilidad de deterioro por congelación-deshielo. Sin embargo, el concreto con aire incluido adecuadamente dosificado y colocado va a resistir a los descongelantes por muchos años. Estudios también han demostrado que, cuando no hay congelamiento, la formación de cristales de sales en el concreto (de fuentes externas de cloruros, sulfatos y otras sales) puede contribuir para el descascaramiento del concreto y para su deterioro de la misma manera que la fragmentación que ocurre en las rocas por el intemperismo a las sales. Los vacíos de aire incluido en el concreto crea espacios para el crecimiento de los cristales de sales, aliviando así las tensiones internas, de manera semejante al que ocurre con las tensiones causadas por la congelación del agua en el concreto (ASCE 1982 y Sayward 1984). Los descongelantes pueden tener muchos efectos sobre el concreto y el medio ambiente cercano. Todos los descongelantes pueden agravar el descascaramiento del concreto que no tenga suficiente aire incorporado. Cloruro de sodio (sal de roca) (ASTM D 632 o AASHTO M 143), cloruro de calcio (ASTM D 98 o AASHTO M 144 y NMX C 356) y urea son los descongelantes más utilizados. En ausencia de congelación, el cloruro de sodio tiene poco o ningún efecto químico sobre el concreto, pero puede dañar a las plantas y corroer metales. El cloruro de calcio, en soluciones débiles, generalmente tiene poco efecto químico sobre el concreto y la vegetación, pero corroe los metales. Sin embargo, estudios han mostrado que el cloruro de calcio concentrado puede atacar químicamente al concreto (Brown y Cady 1975). Urea no daña químicamente al concreto, ni a la vegetación, ni a los metales. Descongelantes sin cloruro se usan para minimizar la corrosión de la armadura de acero y minimizar la contaminación del agua subterránea. El empleo de descongelantes que contengan nitrato de amonio y sulfato de amonio debe ser estrictamente prohibido, pues atacan y desintegran el concreto. Los descongelantes a base de cloruro de magnesio vienen siendo criticados, más recientemente, por aumentar el descascaramiento. Un estudio descubrió que el cloruro de magnesio, el acetato de magnesio, el nitrato de magnesio y el cloruro de calcio dañan más al concreto que el cloruro de sodio (Cody, Cody, Spry y Gan 1996). El grado de descascaramiento depende de la cantidad de descongelante empleada y la frecuencia de la aplicación. Concentraciones relativamente bajas de descongelantes (del orden de 2% a 4% en masa) producen más descascaramiento de la superficie que concentraciones mayores o la ausencia de descongelantes (Verbeck y Klieger 1956). Los descongelantes pueden llegar a la superficie del concreto de manera diferente que su aplicación directa, tal como por la salpicadura de los vehículos y el goteo de las partes inferiores de los vehículos. El descascaramiento es más severo en las áreas poco drenadas, porque más solución de descongelante permanece sobre la superficie del

Pérdida de masa acumulada, kg/m 2

Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido

Clasificación: 0 = sin descascaramiento 5 = descascaramiento severo

4 3 2

ASTM C 672 ensayo de descascaramiento

1 0 0

200 400 600 Factor de espaciamiento, µm

800

Fig. 8-7. Clasificación visual en función del factor de espaciamiento, para una mezcla de concreto con relación agua-cemento de 0.45 (Pinto y Hover 2001). 165


EB201

Promedio de pérdida de masa kg/m 2

5

1.0 Contenido de aire 2% 4% 6%

4

0.8

3

0.6

2

0.4

ASTM C 672 ensayo de descascaramiento

1

0.2

0 0.2

0.25

0.3 0.35 0.4 agua-cemento

0.45

Promedio de pérdida de masa, lb/pies 2

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

0.5

Fig. 8-8. Pérdida de masa del concreto medida después de 40 ciclos de exposición al descongelante y al congelamiento en mezclas con varias relaciones agua-cemento (Pinto y Hover 2001).

tantes (máximo 0.45), (2) revenimiento (asentamiento) igual o menor que 100 mm (4 pulg.), a menos que se usen plastificantes, (3) contenido mínimo de materiales cementantes de 335 lb/m3 (564 lb/yardas3), (4) acabado adecuado después de la evaporación del agua de sangrado (exudación), (5) drenaje adecuado, (6) curado húmedo por lo menos 7 días, con temperatura superior a 10°C (50°F), (7) resistencia a compresión mínima de 290 kg/cm2 o 28 MPa (4000 lb/pulg2), cuando se va a exponer a ciclos repetidos de congelación-deshielo y (8) mínimo de 30 días de secado, después del curado húmedo, si el concreto se va a exponer a ciclos de congelación-deshielo y descongelantes cuando esté saturado. Las metas de contenido de aire se discuten en “Contenidos de Aire Recomendados” al final de este capítulo. Dosificaciones normales de material cementante no deben afectar la resistencia al descascaramiento de concretos adecuadamente proporcionados, colados y curados (Tabla 8-2). El ACI 318 código de la construcción permite hasta 10% de humo de sílice, 25% de ceniza volante y 50% de escoria como parte del material cementante en elementos expuestos a descongelantes. Sin embargo, el exceso de estos materiales, conjuntamente con prácticas

inadecuadas de colocación y curado, pueden empeorar el descascaramiento. Consulte las directrices locales sobre la dosificación y las prácticas permitidas para el uso de estos materiales en ambientes con descongelantes, pues pueden ser diferentes de los requisitos del ACI 318. Secado al Aire. Se mejora mucho la resistencia del concreto con aire incluido a los ciclos de congelación-deshielo con un periodo de secado al aire después del curado húmedo inicial. El secado al aire remueve el exceso de humedad del concreto, reduciendo la tensión interna causada por las condiciones de congelación-deshielo y por los descongelantes. Los concretos saturados de agua se deterioran más rápidamente que los concretos secados al aire, cuando expuestos a ciclos de congelación-deshielo y descongelantes. El concreto colado durante la primavera o el verano tiene un periodo de secado adecuado. Sin embargo, el concreto colocado en el otoño normalmente no se seca suficientemente antes que se usen los descongelantes. Esto ocurre principalmente en los pavimentos curados con compuestos formadores de membranas durante el otoño. Éstas permanecen intactas hasta que se desgasten por el tráfico, por lo tanto el secado adecuado puede no ocurrir hasta antes del comienzo del invierno. Los métodos de curado, tales como el uso de hojas de plástico, que permiten el secado con el término del curado, son preferibles en los pavimentos colados en el otoño en proyectos donde se vayan a emplear descongelantes. Se debe permitir un secado al aire de por lo menos 30 días después del curado húmedo del concreto colocado en el otoño. La duración de tiempo exacta, suficiente para el secado, puede variar con el clima y las condiciones del tiempo. Tratamiento de Superficies Descascaradas. Si se presenta descascaramiento de la superficie durante la primera temporada de hielo (una indicación de un sistema de vacíos de aire inadecuado o prácticas incorrectas de acabado) o si el concreto tiene una mala calidad, se puede aplicar al concreto seco un tratamiento superficial respirable para ayudar a protegerlo contra daños subse-

Tabla 8-2. Resistencia al Descascaramiento por Descongelantes (Clasificación Visual) del Concreto con Materiales Cementantes Seleccionados Control

Ceniza volante (Clase F)

Escoria

Esquisto calcinado

Esquisto calcinado

Masa de cemento remplazada, %

0

15

40

15

25

Clasificación después de 25 ciclos

1

1

1

1

1

Clasificación después de 50 ciclos

2

2

1

2

1

Mezcla

El concreto tenia 335 kg de material cementante por metro cúbico (565lb/yd3), cemento tipo I ASTM, relación agua-cemento 0.50, revenimiento nominal de 75 mm (3 pulg.) y un contenido nominal de aire de 6%. Método de ensayo ASTM C 672. Los resultados son para materiales específicos ensayados en 2000 y pueden no ser representativos de otros materiales. Escala de clasificación: 1 = muy poco descascaramiento (3 mm de profundidad máxima), 2 = descascaramiento de pequeño a moderado.

166


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido

Sin aire

Contenido de Cemento

resistencia al descascaramiento de la superficie se puede evaluar a través de la ASTM C 672.

Con aire

222 kg/m 3 (375 lb/yd 3)

Resistencia a los Sulfatos 306 kg/m 3 (515 lb/yd 3)

392 kg/m 3 (660 lb/yd 3)

Fig. 8-9. Efecto del aire incluido y del contenido de cemento (Tipo II ASTM) sobre el desempeño de probetas expuestas a suelos con sulfatos. Sin aire incluido, las probetas producidas con el menor contenido de cemento se deterioraron gravemente. La adición de aire incluido mejoró aún más las probetas producidas con el mayor contenido de cemento y la menor relación aguacemento. Las fotos enseñan probetas con cinco años de edad (Stanton 1948 y Lerch 1960).a

Resistencia a la Reactividad Álcali-Sílice

cuentes. El tratamiento normalmente consiste en un sellador penetrable producido con aceite de linaza hervido (ACPA 1996), metacrilato respirable u otros materiales. Las formulaciones no respirables se las deben evitar, pues pueden causar desprendimientos de láminas. El efecto del diseño de la mezcla, del tratamiento de la superficie, del curado o de otras variables sobre la

376

1

Contenido de cemento, lb/yd3 517

La resistencia a los sulfatos del concreto se mejora con la incorporación del aire, como se enseña en las Figuras 8-9 y 8-10, desde que se aproveche la ventaja de la reducción de la relación agua-cemento, fornecida por la inclusión del aire. El concreto con aire incluido producido con baja relación agua-cemento, un contenido adecuado de cemento y un cemento resistente a los sulfatos va a resistir al ataque de los sulfatos presentes en el suelo o en el agua.

La rotura por la expansión causada por reactividad álcalisílice se reduce a través del uso de aire incluido (Kretsinger 1949). Los hidróxidos de álcali reaccionan con la sílice de los agregados reactivos para formar productos expansivos, provocando la expansión del concreto. La expansión excesiva va a romper y deteriorar el concreto. La Figura 8-11 muestra que la expansión de barras de

657

70

Reducción en la expansión en un año, porcentaje

2

Tipo de cemento ASTM

Clasificación visual

V

3

II Clasificación: 1 - sin deterioro 6 - falla

V 4

5

concreto con aire incluido concreto sin aire incluido

II I

6

150 x 150 x 760 mm (6 x 6 x 30 pulg.) vigas expuestas por 11 años a suelo conteniendo aproximadamente 10% de sulfato de sodio

I 223

307 Contenido de cemento, kg/m3

390

60

50

40

30

20

10

0

Fig. 8-10. Desempeño de varios concretos con y sin aire incluido expuestos a suelos con sulfatos. La resistencia a los sulfatos se mejora con el uso de los cementos II y V (ASTM), un mayor contenido de cemento, menor relación agua-cemento y aire incluido (Stark 1984).

Barra de mortero de 50 x 50 x 250 mm (2 x 2 x 10 pulg.) Mortero 1: 2 Relación agua-cemento = 0.40 19% de la arena en masa contiene caliza magnesiana silícea activa

2

4

6 8 10 Contenido de aire, porcentaje

12

14

Fig. 8-11. Efecto del contenido de aire sobre la reducción de la expansión álcali-sílice (Kretsinger 1949).

167


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

mortero producidas con materiales reactivos se reduce con el aumento del contenido de aire incluido.

Contenido de cemento, lb/yd 3 600 800

400

60

100

Resistencia

210

40 2

20

250

0

350 500 400 400 Contenido de cemento, kg/m3

300

Contenido de cemento, lb/yd 3 600 800

400

2.0

1.5 8% aire

50

1.0 6

25 0.5

4

Reducción de arena, ft 3/yd3

Reducción de arena, dm3/m 3

Reducción de agua, lb/yd 3

4

20

75

2

0

250

300

0

350 400 400 500 Contenido de cemento, kg/m3

Fig. 8-13. Relación entre el contenido de agua y el contenido de arena obtenidos en varios niveles de contenidos de aire y cemento (Gilkey 1958).

Relación agua-cemento 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

700

600

3

10

8

500

MPa = 10.2 kg/cm2

0.50

60

6

Resistencia a compresión a los 90 días, kg/cm 2

4

30

0

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg 2

Resistencia a compresión, kg/cm 2

280

8% aire

10

5 Concreto con aire incluido Cemento: Tipo I ASTM Edad: 28 días

80

40

0.55 0.60 Relación agua-cemento, en masa

6

400 0

Fig. 8-12. Relación típica entre la resistencia a compresión a los 28 días y la relación agua-cemento en una gran variedad de concretos con aire incluido usando el cemento tipo I (ASTM).

Resistencia a compresión a los 90 días, 1000 lb/pulg 2

350

Reducción de agua, kg/m 3

Cuando el contenido de aire se mantiene constante, la resistencia del concreto varía inversamente con el aumento de la relación agua-cemento. La Figura 8-12 presenta una relación típica entre la resistencia a compresión a los 28 días y la relación agua-cemento para un concreto que tiene el contenido de aire adecuado. A medida que el contenido de aire aumenta, normalmente se puede conservar la misma resistencia, si se mantiene constante la relación vacíos (aire + agua) – cemento, pero esto puede requerir un aumento del contenido de cemento. Tanto el concreto con aire incluido como el concreto sin aire incluido se los pueden proporcionar para que tengan resistencias moderadas similares. Ambos generalmente deben contener la misma cantidad de agregado grueso. Cuando se mantienen el contenido de cemento y el revenimiento (asentamiento), la incorporación del aire reduce los requisitos de arena y agua como muestra la Figura 8-13. Por lo tanto, los concretos con aire incluido pueden tener menor relación agua-cemento que los concretos sin aire incluido, que minimiza los efectos de la reducción de la resistencia que generalmente acompañan la incorporación del aire. Con una relación agua-cemento constante, el aumento de aire va a reducir la resistencia proporcionalmente (Fig. 8-14). En el trabajo de Pinto y Hover (2001) un concreto con 4% de contenido de aire tuvo una disminución de la resistencia de 100 kg/cm2 o 10 MPa (1450 lb/pulg2). Para

1

2 3 4 5 Contenido de aire, porcentaje

6

7

Fig. 8-14. Relación entre la resistencia a compresión a los 90 días y el contenido de aire (Pinto y Hover 2001).

168


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido mantenerse constante la resistencia de este concreto, la relación agua-cemento tuvo que bajar 0.14. Alguna reducción de la resistencia se puede tolerar en vista de otros beneficios que el aire puede ofrecer, tales como el aumento de la trabajabilidad. Las reducciones de resistencia se vuelven más significativas en mezclas de alta resistencia, como se presenta en la Figura 8-15. En mezclas ásperas, con bajo contenido de cemento, normalmente la resistencia aumenta con la incorporación de aire en cantidad adecuada, debido a la reducción de la relación aguacemento y al aumento de la trabajabilidad. En concretos con resistencia de moderada a alta, el aumento de cada punto porcentual de la incorporación de aire reduce la resistencia en aproximadamente 2% a 9% (Cordon 1946, Klieger 1952, Klieger 1956, Whiting y Nagi 1998 y Pinto y Hover 2001). La resistencia real varía y se afecta por la fuente de cemento, aditivos y otros ingredientes. La obtención de alta resistencia en el concreto con aire incluido algunas veces puede ser difícil. A pesar de la reducción en el contenido de agua de mezcla asociada con la incorporación de aire, las mezclas con alto contenido de cemento requieren más agua de mezcla que mezclas con contenido de cemento más bajo, o sea, el aumento esperado de la resistencia, debido al cemento adicional, se compensa de cierta manera por el agua adicional. Se puede compensar este efecto con el empleo de aditivos reductores de agua.

Trabajabilidad El aire incluido mejora la trabajabilidad del concreto. Esto es efectivo principalmente en mezclas pobres (de bajo contenido de cemento) que de otra manera serían ásperas y difíciles de trabajar. En un estudio (Cordon 1946), una mezcla con aire incluido producida con agregado natural, 3% de aire y revenimiento (asentamiento) de 37 mm (11⁄2 pulg.) presentó la misma trabajabilidad que un concreto sin aire incluido con 1% de aire y asentamiento de 75 mm (3 pulg.), a pesar que menos cemento fue necesario en la mezcla con aire incluido. La trabajabilidad de las mezclas con agregados angulares y granulometría pobre se mejora de manera similar. Debido a la mejora de la trabajabilidad con la incorporación de aire, se puede reducir considerablemente el contenido de agua y arena (Fig. 8-13). Un volumen de concreto con aire incluido requiere menos agua que el mismo volumen de concreto sin aire incluido, con la misma consistencia y mismo tamaño máximo del agregado. Los concretos frescos que contienen aire incluido son cohesivos, se ven y se sienten trabajables o grasosos y se los puede manejar con facilidad. Por otro lado, concretos con altos contenidos de aire pueden ser más pegajosos y difíciles de acabar. El aire incluido reduce la segregación y el sangrado (exudación) en el concreto recién mezclado y colado.

MATERIALES INCLUSORES DE AIRE La incorporación del aire en el concreto se puede realizar con la adición de aditivos inclusores de aire en la mezcladora, con el uso de cementos con inclusores de aire o la combinación de ambos métodos. Sin importar el método utilizado, el control y el monitoreo son necesarios para que se asegure el contenido de aire adecuado. Un gran número de aditivos inclusores de aire están disponibles comercialmente, producidos de una amplia variedad de materiales. La mayoría de los aditivos inclusores de aire consisten en uno o más de los siguientes materiales: resinas de madera (resina Vinsol), hidrocarburos sulfonatados, ácidos grasos y resinosos y materiales sintéticos. Las descripciones químicas y las características de desempeño de los agentes inclusores de aire más comunes se presentan en la Tabla 8-3. Los aditivos inclusores de aire normalmente son líquidos y no se deben congelar. Aditivos adicionados en la mezcladora deben obedecer a la ASTM C 260 (AASHTO M 154). Los cementos con inclusores de aire cumplen con la ASTM C 150 y C 595 (AASHTO M 85 y M 240). Para que se produzcan estos cementos conforme la ASTM C 226, las adiciones de inclusores de aire se muelen juntamente con el clínker de cemento, durante la producción. Los cementos con aire incluido generalmente fornecen una cantidad adecuada de aire incluido para la mayoría de las obras, sin embargo, un contenido de aire incluido especificado puede no ser necesariamente obtenido en el

6 MPa = 10.2 kg/cm 2

400

300

364 kg/m3 (613 lb/yd 3)

4 308 kg/m3 (519 lb/yd 3)

3

200 252 kg/m3 (425 lb/yd 3)

2 100

Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg 2

Resistencia a compresión, kg/cm2

5

1 cilindros de 150 x 300 mm (6 x 12 pulg)

0 0

1

2

3 4 5 6 7 Contenido de aire, porcentaje

8

9

Fig. 8-15. Relación entre el contenido de aire y la resistencia a compresión a los 28 días en concretos con tres contenidos de cemento diferentes. El contenido de agua fue reducido con el aumento del aire incorporado para mantenerse el asentamiento constante (Cordon 1946). 169


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 8-3. Clasificación y Características de Desempeño de los Aditivos Inclusores de Aire Comunes (Whiting y Nagi 1998) Clasificación Sales ácidas derivadas de la madera Resina Vinsol®

Descripción química Sales alcalinas o alcanolaminas de: una mezcla de ácidos tricíclicos, fenólicos y terpanos.

Notas y Características de desempeño Generación rápida de aire. Poco aumento del aire con el mezclado inicial. Pérdida de aire con mezclado prolongado. Formación de burbujas de tamaño mediano. Compatible con la mayoría de los otros aditivos.

Resina de madera

Componente principal ácido tricíclico Componente minoritario ácido tricíclico

Mismo que el anterior.

Aceite

Componente principal ácido graso Componente minoritario ácido tricíclico

Generación lenta de aire. El aire puede aumentar con el mezclado prolongado. Las menores burbujas entre todos los aditivos. Compatible con la mayoría de los otros aditivos.

Ácidos de aceite vegetal

Ácidos grasos de coco, sales alcanolaminas.

Generación de aire más lenta que las resinas de madera. Pérdida de aire moderada con el mezclado. Burbujas de aire mayores que las formadas por resinas de madera. Compatible con la mayoría de los otros aditivos.

Detergentes sintéticos

Alkilaril sulfonato y sulfatos (ejemplo dodecilbenzenosulfonato de sodio).

Generación rápida de aire. Pequeña pérdida de aire con el mezclado. Burbujas grandes. Puede ser incompatible con algunos aditivos reductores de agua de alto rango. También aplicable en los concretos celulares.

Auxiliar de trabajabilidad sintético

Alkil-aril etoxilatos

Usado principalmente en morteros para mampostería.

Diversos

Sales de ácidos alcali-alcanolamina o lignosulfonato. Residuos de petróleo oxigenado. Materiales protaináceos. Grasa animal.

Todos ellos se usan raramente como agentes inclusores de aire.

concreto. Si se incorpora un contenido de aire insuficiente, tal vez sea necesaria la adición de los aditivos inclusores de aire en la mezcladora. Cada método de incorporación de aire tiene ciertas ventajas. En obras donde el control cuidadoso no es práctico, los cementos con inclusores de aire son muy útiles para que se asegure que una porción significativa del contenido de aire necesario se va a obtener. Ellos eliminan la posibilidad de errores humanos o mecánicos que puedan ocurrir con la adición de aditivos durante el mezclado. Con los aditivos inclusores de aire, el volumen de aire incluido puede ser fácilmente ajustado para satisfacer las condiciones de la obra, a través del cambio de la cantidad de aditivo adicionado a la mezcladora. Se pueden esperar variaciones en el contenido de aire con la variación de la proporción y de la granulometría del agregado, tiempo de mezclado, temperatura y revenimiento. El orden de dosificación y mezclado de los ingredientes del concreto, cuando se usa el aditivo inclusor de aire, tiene una gran influencia en la cantidad de aire incluido. Por lo tanto, es necesaria una cierta estabilidad en la dosificación para que se mantenga el control adecuado. Cuando se incorpora aire en exceso, se lo puede reducir con el empleo de uno de los siguientes agentes anti-espumantes (purgadores o exclusores de aire): fosfato tributilo, ftalato dibutilo, alcohol octilo, ésteres insolubles

en ácidos carbónico y bórico y silicones. Sólo se debe usar la menor dosificación posible para la reducción de contenido de aire hasta los límites especificados. Una cantidad excesiva puede tener efectos adversos sobre las propiedades del concreto (Whiting y Stark 1983).

FACTORES QUE AFECTAN EL CONTENIDO DE AIRE Cemento Dentro de un rango normal de contenido de cemento, a medida que se aumenta el contenido de cemento, el contenido de aire disminuye para una cierta dosificación fija de aditivo inclusor de aire por unidad de cemento (Fig. 8-16). Cuando se cambia el contenido de cemento de 240 kg/m3 (400 lb/yardas3) para 360 kg/m3 (600 lb/ yardas3), podría ser necesario el doble de la dosificación del aditivo para que se mantenga el mismo contenido de aire. Sin embargo, estudios indican que cuando se lo hace, el factor de espaciamiento generalmente disminuye con el aumento del contenido de cemento y para un cierto contenido de aire, se aumenta la superficie específica, resultando en mejor durabilidad. Un aumento en la finura del cemento va a resultar en una reducción de la cantidad de aire incluido. El cemento 170


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido

3/8 1/2 12

3/4

Tamaño máximo del agregado, pulg. 1 11/2 2 Concreto con aire incluido Concreto sin aire incluido (sólo aire atrapado)

5 Concreto con aire incluido

Cemento: Tipo I ASTM Revenimiento: 50 a 80 mm (2 a 3 pulg.)

Contenido de aire, porcentaje

Contenido de aire, porcentaje

10

8

6

222 kg/m3 (375 lb/yd3)

4

306 kg/m3 (515 lb/yd3) 388 kg/m3 (655 lb/yd3)

2

4

3

Cemento: Tipo I ASTM 280 280 a 335 kg/m3 (470 a 565 lb/yd3) Revenimiento: 80 a 100 mm (3 a 5 pulg.)

2

1

Concreto sin aire incluido (sólo aire atrapado)

222 kg/m3 (375 lb/yd3)

0 20

388 kg/m3 (655 lb/yd3)

0 9.5 12.5

6

21/2

19.0

25.0 37.5 50 Tamaño máximo del agregado, mm

63

24 28 32 36 40 Contenido de agregado fino, porcentaje del agregado total

44

Fig. 8-17. Relación entre el porcentaje de agregado finos y el contenido de aire en el concreto. PCA Major Series 336.

Fig. 8-16. Relación entre el tamaño del agregado, el contenido del cemento y el contenido de aire en el concreto. La dosis de aditivo inclusor de aire por unidad de cemento se mantuvo constante en los concretos con aire incluido. PCA Major Series 336.

cantidad de agregado fino promueve una mayor incorporación de aire para una cantidad fija de cemento con aire incluido o de aditivo inclusor de aire (también se atrapa más aire en los concretos sin inclusores de aire). Las partículas de agregado fino que pasan en los tamices de 600 µm a 150 µm (No. 30 a No. 100) atrapan más aire que agregados muy finos y agregados más gruesos. Una cantidad apreciable de material pasante en el tamiz 150 µm (No. 100) va a resultar en una reducción significativa del aire incluido. Los agregados finos de varias fuentes pueden atrapar cantidades diferentes de aire, aun cuando tienen la misma granulometría. Esto puede ocurrir por las diferencias en la forma y la textura superficial o debido a la contaminación por materiales orgánicos.

tipo III ASTM, un material finamente molido, puede requerir dos veces o más de agente inclusor de aire que el cemento tipo I de la ASTM, el cual tiene una finura normal. Los cementos con alto contenido de álcali pueden incorporar más aire que los cementos con bajo contenido, para una misma cantidad de material inclusor de aire. Un cemento con bajo contenido de álcali puede necesitar del 20% al 40% (ocasionalmente hasta 70%) más agente inclusor de aire que un cemento con alto contenido de álcali para lograr un contenido equivalente de aire. Por lo tanto, para que se asegure que los requisitos adecuados de aditivo se logren para cada cemento, se hacen necesarias precauciones al emplearse más de una fuente de cemento en una planta de mezclado (Greening 1967).

Agua de Mezcla y Revenimiento

Agregado Grueso

Un aumento en el agua de mezcla fornece más agua para la generación de las burbujas de aire, de este modo aumentando el contenido de aire y el revenimiento (asentamiento) hasta aproximadamente 150 o 175 mm (6 o 7 pulg.). Un aumento de la relación agua-cemento de 0.4 a 1.0 puede aumentar el contenido de aire en 4%. Parte del aumento del aire se debe a la relación entre asentamiento y contenido de aire, pues el contenido de aire crece con el revenimiento aun cuando la relación agua-cemento se mantiene constante. El factor de espaciamiento, ¿, del sistema de vacíos de aire aumenta, o sea, los vacíos se vuelven mayores con relaciones agua-cemento mayores,

El tamaño del agregado grueso tiene un gran efecto sobre el contenido de aire de ambos tipos de concreto, con y sin aire incluido, como se enseña en la Figura 8-16. Hay un pequeño cambio en el contenido de aire cuando se aumenta el tamaño del agregado por encima de 37.5 mm (11⁄2 pulg.).

Agregado Fino El contenido del agregado fino en la mezcla afecta el porcentaje de aire incluido. La Figura 8-17 muestra que la 171


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

de este modo reduciendo la durabilidad a congelacióndeshielo (Stark 1986). La adición de 5 kg de agua por metro cúbico de concreto (8.4 lb de agua por yarda cúbica) puede aumentar el revenimiento en 25 mm (1 pulg.), aumentando el contenido de aire en aproximadamente 0.5 a 1% en concretos con revenimiento de bajo a moderado y dosificación constante de aditivo inclusor de aire. Sin embargo, esta aproximación se afecta considerablemente por la temperatura del concreto, revenimiento, tipo y cantidad de cemento y aditivos presentes en el concreto. Un concreto con bajo revenimiento y alta dosificación de aditivos reductor de agua y inclusor de aire puede sufrir incrementos del revenimiento y del contenido de aire considerablemente

altos, con la adición de pequeñas cantidades de agua. Por otro lado, un concreto bien fluido con revenimiento de 200 a 250 mm (8 a 10 pulg.) puede perder aire con la adición de agua. Consulte las Tablas 8-4 y 8-5 para más informaciones. El agua de mezcla también puede afectar el contenido de aire. El agua contaminada con algas aumenta este contenido. Aguas de enjuague altamente alcalinas, provenientes de los camiones mezcladores, pueden afectar el contenido de aire. El efecto de la dureza del agua, en la mayoría del abastecimiento de agua municipal, es generalmente insignificante, sin embargo, aguas muy duras de los pozos, como aquéllas usadas en las áreas rurales, pueden disminuir el contenido de aire del concreto.

Tabla 8-4. Efecto del Diseño de la Mezcla y de los Constituyentes del Concreto sobre el Contenido de Aire Características del Material

Cemento Portland

Contenido de álcali

Finura

Contenido de cemento en la mezcla

Contaminantes

Materiales cementantes suplementarios

Ceniza volante

Escoria granulada de alto horno Humo de sílice

Metacaolinita

Efectos

Consejos

El contenido de aire aumenta con el aumento del nivel de álcali en el cemento. Se necesita de menor dosificación del agente inclusor de aire en cementos con alto contenido de álcali. El sistema de vacíos de aire puede ser menos estable con ciertas combinaciones usadas de nivel alto de álcali y agente inclusor de aire. Disminución del contenido de aire con el aumento de la finura del cemento.

Disminución del contenido de aire con el aumento del contenido de cemento. Mayor o menor número de vacíos con el aumento del contenido de cemento. El contenido de aire se puede alterar por la contaminación del cemento con el aceite del molino. El contenido de aire disminuye con el aumento de la pérdida por calcinación (contenido de carbón)

El sistema de vacíos de aire puede ser menos estable con ciertas combinaciones de ceniza volante/ cemento/ agente inclusor de aire. Disminución del contenido de aire con el aumento de la finura de la escoria. Disminución del contenido de aire con el aumento del contenido de humo de sílice. Ningún efecto aparente

172

Cambios en el contenido de álcali o fuente de cemento requieren un ajuste de la dosificación del agente inclusor de aire. Disminuya la dosificación del inclusor de aire hasta 40%, para cementos con alto contenido de álcali.

Use hasta 100% más aditivo inclusor de aire en cementos muy finos, como los de alta resistencia inicial. Ajuste el aditivo si la fuente o la finura del cemento cambian. Aumente el contenido de aditivo inclusor de aire, caso haya aumento del contenido de cemento.

Verifique que el cemento obedezca a los requisitos de las normas nacionales de cemento sobre el contenido de aire en las pruebas de mortero. Cambios en la PC (PI o PF) o en la fuente de la ceniza volante pueden requerir ajustes de la dosificación del aditivo inclusor de aire. Realice las pruebas del índice de espuma para estimar el aumento en la dosificación. Prepare mezclas de pruebas y evalúe el sistema de vacíos de aire.

Use hasta 100% más aditivo inclusor de aire en concretos con escoria finamente molida. Aumente la dosificación del aditivo inclusor de aire en hasta 100%, cuando se empleen contenidos de humo de hasta 10%. Ajuste la dosificación del aditivo, si necesario.


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido Tabla 8-4. Efecto del Diseño de la Mezcla y de los Constituyentes del Concreto sobre el Contenido de Aire (Continuación)

Aditivos químicos

Características del Material Reductores de agua

Retardadores Aceleradores Reductores de agua de alto rango (superplastificantes)

Agua de mezcla y revenimiento (asentamiento)

Agregados

Tamaño máximo

Relación arena-total de agregados Granulometría de la arena Química del agua

Efectos El aumento de la dosificación de materiales basados en lignina, promueve un aumento del contenido de aire.

Los factores de espaciamiento pueden aumentar con el uso de reductores de agua. Efectos similares a los de los reductores de agua Efectos de poca importancia sobre el contenido de aire. Incremento moderado del contenido de aire cuando contienen lignosulfatos El factor de espaciamiento aumenta. Disminución de los requisitos de contenido de aire con el aumento del tamaño del agregado. Pequeño aumento cuando el tamaño máximo es mayor que 37.5 mm (11⁄2 plg.) El contenido de aire aumenta con el aumento del contenido de arena. Fracciones medianas de arena promueven incorporación de aire

Consejos Reduzca la dosificación de los aditivos inclusores de aire. Seleccione formulaciones que contengan agentes purgadores de aire. Prepare mezclas de prueba y evalúe el sistema de vacíos.

Ajuste la dosificación del aditivo inclusor de aire. Normalmente no se necesitan ajustes. Se necesitan sólo pequeños ajustes. Sin efecto significativo sobre la durabilidad. Disminuya el contenido de aire.

Disminuya la dosificación del aditivo inclusor de aire en mezclas con altos contenidos de arena. Controle la granulometría y ajuste la dosificación del aditivo inclusor de aire.

Aguas muy duras reducen el contenido de aire.

Aumente la dosificación del inclusor de aire.

El agua de enjuague de los camiones mezcladores disminuye el contenido de aire.

Evite mezclar el concreto con agua de enjuague.

Relación agua-cemento

El contenido de aire aumenta con el aumento de la relación agua-cemento.

Disminuya la dosificación del aditivo inclusor de aire, a medida que la relación agua-cemento crezca.

Revenimiento (asentamiento)

El aire aumenta con el revenimiento hasta cerca 150 mm (6 pulg.)

Ajuste la dosificación del aditivo inclusor de aire.

El aire disminuye con revenimiento muy altos.

Evite adicionar agua para el aumento del asentamiento.

Es difícil la incorporación de aire en concretos con revenimiento muy bajo.

Use aditivos inclusores de aire adicionales, hasta 10 veces la dosificación normal.

173


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 8-5. Efecto de los Procesos de Producción, Prácticas de Construcción y Medio Ambiente sobre el Control del Contenido de Aire en el Concreto

Procedimientos de producción

Procedimiento/Variable Secuencia de mezclado

Capacidad de la mezcladora Tiempo de mezclado

Velocidad de mezclado

Técnicas de colocación (colado)

Transporte y Entrega

Medición del aditivo

Efecto El mezclado simultáneo disminuye el contenido de aire. La adición del cemento primero, aumenta el contenido de aire. El aire aumenta a medida que se aproxima de la capacidad. Mezclado central: el contenido de aire aumenta el tiempo de mezclado hasta 90 segundos. Camiones mezcladores: el contenido de aire aumenta con el mezclado. Períodos de mezclados cortos (30 segundos) reducen el contenido de aire y afectan adversamente el sistema de vacíos de aire. El contenido de aire aumenta gradualmente hasta aproximadamente 20 rpm. El aire puede disminuir en altas velocidades. La precisión y la fiabilidad del sistema de medición van a afectar la uniformidad del contenido de aire

Transporte y entrega

Algún aire (1% a 2%) normalmente se pierde durante el transporte. La pérdida de aire en equipos sin agitación es un poco mayor.

Tiempo de transporte y agitación

Transportes largos, inclusive sin agitación, reducen el aire, especialmente en el clima caluroso. Recuperación de parte del aire perdido. Normalmente no afecta el sistema de vacíos de aire. El retemplado con aditivo inclusor de aire restaura el sistema de vacíos de aire.

Retemplado

Estera transportadora (Banda transportadora)

Reduce el contenido de aire en un promedio de 1%.

Bombeo

La reducción del contenido de aire varía de 2% a 3%. No afecta significantemente el sistema de vacíos de aire. Poco efecto sobre la resistencia a congelación-deshielo.

Concreto lanzado

Generalmente reduce el contenido de aire en la vía húmeda.

174

Consejo Adicione aditivo inclusor de aire con el agua inicial o con la arena.

Use la mezcladora cerca de su capacidad. Evite sobrecargarla. Establezca el tiempo óptimo de mezclado para una cierta mezcladora. Evite el mezclado excesivo. Establezca el tiempo de mezclado óptimo (cerca de 60 segundos).

Siga las recomendaciones de los fabricantes de los camiones mezcladores. Mantenga las palas y el camión limpios. Evite la medición manual o los sistemas de alimentación por gravedad y los temporizadores. Bombas con dislocación positiva interconectadas con el sistema de mezclado son preferibles. El retemplado normal con agua para restaurarse el revenimiento (asentamiento) va a restaurar el aire. Si necesario, retemple con aditivo inclusor de aire para recuperarse el aire. Pérdidas grandes del aire se pueden deber a otros factores que no el transporte. Optimice la programación de entrega. Mantenga la temperatura del concreto en los rangos recomendados. Retemple sólo lo suficiente para restaurar la trabajabilidad. Evite la adición excesiva de agua. Se necesita de una dosificación más alta de aditivo cuando se adicionan los aditivos en la obra. Si posible, evite distancias largas de transporte. Reduzca el efecto de queda libre en la extremidad de la banda. El uso del diseño de mezcla adecuado fornece un sistema de vacíos de aire estable. Evite asentamientos altos y concretos con alto contenido de aire. Mantenga la presión de bombeamiento lo más bajo posible. Use bucle en líneas de bombeo descendientes. El contenido de aire debería ser en la extremidad o la zona del blanco.


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido Tabla 8-5. Efecto de los Procesos de Producción, Prácticas de Construcción y Medio Ambiente sobre el Control del Contenido de Aire en el Concreto (Continuación)

Acabado y medio ambiente

Procedimiento/Variable Vibración interna

Acabado

Temperatura

Efecto El contenido de aire disminuye bajo vibración prolongada o en alta frecuencia. La vibración adecuada no influencia el sistema de vacíos de aire. Se reduce el contenido de aire en las capas de la superficie con el exceso de acabado.

Consejo No vibre en exceso. Evite vibradores de alta frecuencia (mayor que 10,000 vpm). Evite pasadas múltiplas de las pantillas vibratorias. Las inserciones cercanas del vibrador se recomiendan para una mejor consolidación. Evite el acabado cuando aún haya agua de exudación sobre la superficie.

Evite el acabado excesivo. No rocíe agua sobre la superficie antes del acabado. No alise losas exteriores con llanas metálicas. Aumente la dosificación del aditivo inclusor de aire, si hay un aumento de temperatura.

Se disminuye el contenido de aire con el aumento de la temperatura. Cambios de temperatura no afectan considerablemente el factor de espaciamiento.

Revenimiento y Vibración 9.0 Vibrador de inmersión 25 mm (1 pulg.) Todas las mezclas contienen la misma cantidad de aditivo inclusor de aire

8.0

7.0

Contenido de aire, porcentaje

El efecto del revenimiento (asentamiento) y de la vibración sobre el contenido de aire del concreto se presenta en la Figura 8-18. Para una cantidad constante de aditivo inclusor de aire, el contenido de aire aumenta a medida que el revenimiento crece hasta 150 o 175 mm (6 o 7 pulg.). Si el revenimiento aumenta más que esto, el contenido de aire disminuye. Sin embargo, sea cual sea el revenimiento, 15 segundos de vibración (límite del ACI 309) van, incluso, a causar una reducción considerable en el contenido de aire. Se debe evitar la vibración prolongada del concreto. Cuanto mayor el revenimiento, el contenido de aire y el tiempo de vibración, mayor será el porcentaje de la reducción del contenido de aire durante la vibración (Fig. 8-18). Sin embargo, si se hace una vibración adecuada, poco del aire intencionalmente incluido será perdido. El manejo y la vibración moderada promueven normalmente la pérdida de aire de las burbujas mayores que usualmente son indeseables, bajo el punto de vista de la resistencia. Mientras el tamaño promedio de los vacíos de aire se reduce, el factor de espaciamiento de los vacíos de aire permanece relativamente constante. Los vibradores internos reducen el contenido de aire más que los vibradores externos. La pérdida de aire debida a la vibración aumenta a medida que el volumen del concreto disminuye o se aumenta significativamente la frecuencia de vibración. La vibración con frecuencias más bajas (8000 vpm) tiene menos efecto sobre el factor de espaciamiento y el contenido de aire que la vibración con frecuencia alta (14,000 vpm). Las frecuencias altas pueden aumentar considerablemente el factor de espaciamiento y disminuir el contenido de aire después de sólo 20 segundos de vibración (Brewster 1949 y Stark 1986).

6.0 Revenimiento 137 mm (5.4 pulg.)

5.0 Revenimiento 96 mm (3.8 pulg.)

4.0

3.0

Revenimiento 46 mm (1.8 pulg.)

2.0

1.0

0

10

20 30 Tiempo de vibración, segundos

40

50

Fig. 8-18. Relación entre revenimiento, duración de la vibración y contenido de aire (Brewster 1949).

175


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 palmente al aumentarse el revenimiento. Este efecto es especialmente importante en el caso de la colocación del concreto durante el clima caluroso, cuando el concreto posiblemente está cálido. Se puede compensar la disminución del contenido de aire, con el aumento de la cantidad del aditivo inclusor de aire. En la colocación en clima frío, el aditivo inclusor de aire puede perder parte de su eficiencia, si se emplea agua caliente en la mezcla. Para compensar esta pérdida, algunos aditivos se deben adicionar a la mezcla después que la temperatura de los ingredientes se haya igualado. A pesar que el concreto con temperatura elevada reduce el contenido de aire durante la mezcla, el factor de espaciamiento y la superficie específica se afectan muy poco.

En pavimentos, se puede lograr el contenido de aire especificado y la distribución uniforme de los vacíos a través del uso de máquinas de pavimentación con velocidades de 1.22 a 1.88 metros por minuto (4 a 6 pies por minuto) y con un vibrador con frecuencia de 5,000 a 8,000 vibraciones por minuto. La mayor uniformidad de los vacíos de aire en la profundidad del espesor del concreto, dentro y afuera del camino del vibrador, se obtiene con la combinación de la frecuencia del vibrador (aproximadamente 5,000 vibraciones por minuto) y pavimentadoras de cimbras (encofrado) deslizantes con velocidad de 1.22 metros por minuto. Mayores frecuencias de velocidades, solas o combinadas, pueden resultar en discontinuidades y falta de contenido de aire en la parte superior del pavimento de concreto. Por otro lado, esto fornece una gran oportunidad para que el agua y la sal entren en el pavimento y reduzcan su durabilidad y vida útil (Cable, McDaniel, Schlorholtz, Redmond y Rabe 2000).

Materiales Cementantes Suplementarios El efecto de la ceniza volante sobre la cantidad de aditivo requerida varía de despreciable hasta cinco veces mayor que la cantidad normal (Gebler y Klieger 1986). Grandes cantidades de escoria y humo de sílice pueden doblar la dosis del aditivo inclusor de aire (Whiting y Nagi 1998).

Temperatura del Concreto La temperatura del concreto afecta el contenido de aire, como se enseña en la Figura 8-19. Con el aumento de la temperatura del concreto, menos aire se incorpora, princi-

50

7

Temperatura del concreto, OF 60 70 80

Aditivos y Agentes Colorantes Los agentes colorantes, tal como el negro de humo, normalmente disminuyen la cantidad de aire incluido para una cierta cantidad de aditivo. Esto ocurre principalmente con el uso de materiales colorantes con alto contenido de carbón (Taylor 1948). Aditivos reductores de agua y retardadores de fraguado generalmente aumentan la eficiencia de los aditivos inclusores de aire del 50% al 100%. Por lo tanto, cuando se los emplea, una menor cantidad de aditivo inclusor de aire va a resultar en el contenido de aire deseado. También el momento de la adición de estos aditivos en la mezcla va a afectar la cantidad de aditivo inclusor de aire, pues la adición retrasada aumenta el contenido de aire. Los retardadores de fraguado aumentan el espaciamiento de los vacíos de aire en el concreto. Algunos reductores de agua o retardadores de fraguado no son compatibles con algunos aditivos inclusores de aire. Si fueran adicionados conjuntamente al agua de mezcla, antes de dispersarlos en la mezcladora, se va a formar un precipitado que va a posar y resultará en una gran reducción del contenido de aire. Sólo porque algunos aditivos interactúan de esta manera, no quiere decir que no van a ser totalmente eficientes si dispersados separadamente en la mezcla. Los superplastificantes (reductores de agua de alto rango) pueden aumentar o disminuir el contenido de aire del concreto, dependiendo de la formulación química del aditivo y del revenimiento del concreto. Superplastificante a base de naftaleno tienden a aumentar el contenido de

90

Revenimiento 175 mm (7 pulg.)

6 Revenimiento 125 mm (5 pulg.)

Contenido de aire, porcentaje

5

Revenimiento 75 mm (3 pulg.)

4

Revenimiento 25 mm (1 pulg.)

3

2

1 Cemento: 335 kg/m3 (565 lb/yd3 ) Tamaño max. del agregado:37.5 mm (11/2 pulg.)

0

5

10

15 20 25 Temperatura del concreto, OC

30

35

Fig. 8-19. Relación entre temperatura, revenimiento y contenido de aire. PCA Major Series 336 y Lerch 1960. 176


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido aire, mientras que materiales a base de melaminas a veces disminuyen y otras veces no tienen ninguna influencia sobre el contenido de aire. La pérdida normal de aire, en concretos fluidos, durante el mezclado y el transporte es cerca del 2% al 4% (Whiting y Dziedzic 1992). Los superplastificantes también afectan el sistema de vacíos de aire del concreto endurecido, normalmente aumentando el tamaño de los vacíos de aire atrapado. Esto resulta en un factor de espaciamiento mayor que el normal, ocasionalmente mayor que el considerado aceptable para la durabilidad a congelación-deshielo. Sin embargo, las pruebas en los concretos con superplastificante, con factor de espaciamiento de aire ligeramente mayor, han presentado buena durabilidad. Esto se puede deber a la reducción de la relación agua-cemento, normalmente asociada con el uso de superplastificantes. Una pequeña cantidad de cloruro de calcio, algunas veces, se usa en clima frío para acelerar el endurecimiento del concreto. Se lo puede usar con suceso con aditivos inclusores de aire si se adiciona el cloruro de calcio en forma de solución al agua de mezcla. El cloruro de calcio va a aumentar levemente el contenido de aire del concreto, pero si el cloruro de calcio entra en contacto directo con el inclusor de aire, ocurre una reacción química que reduce la eficiencia del aditivo. Los aceleradores sin cloruro pueden aumentar o disminuir el contenido de aire, dependiendo de la química del aditivo, pero generalmente tienen poco efecto sobre el contenido de aire.

grandes. Sin embargo, el contenido de aire aumenta a medida que se aproxima de la capacidad de la mezcladora. La Figura 8-20 muestra el efecto de la velocidad y la duración del mezclado sobre el contenido de aire en el concreto fresco, producido en una mezcladora movible. Normalmente, más aire se incorpora a medida que se aumenta la velocidad de mezclado hasta 20 rpm. Velocidades mayores que ésta promueven disminución del contenido de aire. En las pruebas que generaron la Figura 8-20, el contenido de aire llegó a un límite máximo durante el mezclado y sufrió una reducción gradual con el mezclado prolongado. El tiempo y la velocidad de mezclado van a tener efectos diferentes sobre el contenido de aire. Se puede perder cantidades significativas de aire durante el mezclado en ciertas mezclas y con ciertos tipos de mezcladoras. La Figura 8-21 enseña el efecto de la agitación prolongada de una mezcladora sobre el contenido de aire. Los 5

Contenido de aire, porcentaje

Efecto del mezclado

4 rpm

3

2

Cemento: 305 kg/m3 (510 lb/yd 3 ) Mezcladora: camión mezclador 4 m3 (6 yd3 ) Tiempo de mezclado: empieza luego de haber completado la carga

1

0

0

10

20 30 40 Tiempo de mezclado, minutos

50

60

Fig. 8-20. Relación entre el tiempo de mezcla y el contenido de aire del concreto. PCA Major Series 336. 8 Contenido de aire, porcentaje

La acción de mezclar es uno de los factores más importantes en la producción del concreto con aire incluido. La distribución uniforme de los vacíos de aire es esencial para producir un concreto con resistencia al descascaramiento. La falta de uniformidad puede resultar de la dispersión inadecuada del inclusor de aire, durante cortos periodos de mezclado. En la producción de concreto premezclado, es extremamente importante que se mantenga un mezclado constante y consistente. La cantidad del aire incluido varía con el tipo y la condición de la mezcladora, la cantidad de concreto siendo mezclado, la tasa y la duración del mezclado. La cantidad de aire incluido, en una cierta mezcla, va a decrecer apreciablemente a medida que las palas se vuelven gastadas o si se acumula concreto endurecido en el tambor o en las palas. Debido a las diferencias en el mezclado y en el tiempo de mezclado, los concretos producidos en mezcladoras estacionarias y aquéllos producidos en mezcladoras movibles pueden variar significantemente cuanto a la cantidad de aire. El contenido de aire puede aumentar o disminuir cuando la cantidad de concreto mezclado se desvía considerablemente de la capacidad de la mezcladora. Se incorpora poco aire en cantidades de mezclas pequeñas en mezcladoras

11 rpm

4

7

Velocidad de agitación: 2 o 4 rpm Camión mezclador: 4.5 y 6.1 m3 (6 y 8 yd3) mezclado inicial: 70 rev. a 10 rpm Revenimiento inicial 225 mm (9 pulg.)

6

5 Revenimiento inicial 100 mm (4 pulg.)

4 10

20

30

40 50 60 70 Tiempo de agitación, minutos (después del mezclado inicial)

80

90

Fig. 8-21. Relación entre tiempo de agitación, contenido de aire y asentamiento. PCA Major Series 336. 177


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 5

cambios en el contenido de aire se pueden explicar a través de la relación entre revenimiento y contenido de aire. En concretos con alto revenimiento, el contenido de aire aumenta con la agitación prolongada, a medida que el revenimiento disminuye para cerca de 150 o 175 mm (6 o 7 pulg.). Para revenimientos iniciales más bajos que 150 mm (6 pulg.), tanto el contenido de aire como el revenimiento disminuyen con la continuidad de la agitación. Cuando se retempla (adición de agua y remezclado para que se restaure el revenimiento original), el contenido de aire aumenta. Sin embargo, después de 4 horas, el retemplado no es eficiente en el aumento del contenido de aire. El mezclado o la agitación prolongada del concreto se acompañan por una progresiva disminución del asentamiento.

Tiempo de acabado

Clasificación visual

4

temprano momento cierto

3

Agua de sangrado

2

1 0

0.50

0.45

0.40 0.35 0.30 Relación agua-cemento

0.25

5 Tiempo de acabado

4 Clasificación visual

Transporte y Manejo Generalmente, parte del aire, aproximadamente de 1 a 2%, se pierde durante el transporte del concreto de la planta mezcladora a la obra. La estabilidad del contenido de aire durante el transporte depende de diversas variables, incluyendo los ingredientes del concreto, tiempo de transporte, cantidad de agitación o vibración durante el transporte, temperatura, revenimiento y cantidad de retemplado. Una vez en la obra, el contenido de aire del concreto se mantiene esencialmente constante durante el manejo, si éste se ejecuta a través de descarga por canaletas, carretilla, carro motorizado y pala. Sin embargo, bombas de concreto, grúa y balde (cubo, cubeta) y esteras transportadoras pueden causar alguna pérdida de aire, especialmente en mezclas con alto contenido de aire. El bombeamiento de concreto puede causar una pérdida de contenido de aire de hasta 3 puntos porcentuales (Whiting y Nagi 1998).

Temprano momento cierto

3 2 1

0

0.50

0.45

0.40 0.35 0.30 Relación agua-cemento

0.25

Fig. 8-22. Efecto del acabado temprano – aplanamiento de 20 minutos después de la colocación – sobre la resistencia al descascaramiento para (superior) concreto con 6% de aire incluido; (inferior) concreto sin incorporación de aire.

PRUEBAS PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE AIRE Cuatro métodos están disponibles para la determinación del contenido de aire en el concreto fresco. A pesar de haberse medido sólo el contenido de aire total, y no las características del sistema de vacíos de aire, ensayos en laboratorio muestran que estas pruebas son una buena indicación de la aceptabilidad del sistema de aire. Pruebas de aceptación para el concreto fresco se deben realizar regularmente como control de rutina. La obtención de las muestras y los ensayos deben obedecer a las normas ASTM C 172 (AASHTO T 141). A seguir se presentan los métodos para la determinación del contenido de aire en concretos frescos: 1. Método por presión (ASTM C 231, AASHTO T 152, COVENIN 348, IRAM 1602, Nch 2184, NMX-C-157, NTC 1032, NTE 195, NTP 339.080, NTP 339.083, UNIT-NM 47), práctico para pruebas en la obra, en todos los tipos de concreto, a excepción de los concretos muy porosos y con agregados ligeros.

Acabado Las prácticas correctas de enrasado, aplanado y acabado no deben afectar el contenido de aire. McNeal y Gay (1996) y Falconi (1996) demostraron que la secuencia y el momento en que se hacen el acabado y el curado son extremamente importantes para la durabilidad de la superficie. El acabado excesivo puede reducir la cantidad de aire incluido en la superficie de las losas, dejando la superficie vulnerable al descascaramiento. Sin embargo, como se enseña en la Figura 8-22, el acabado temprano no afecta necesariamente la resistencia al descascaramiento, a menos que haya agua de sangrado (exudación) presente (Pinto y Hover 2001). El concreto que va a ser expuesto a sales de deshielo no debe ser acabado con llanas metálicas. 178


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido 2. Método volumétrico (ASTM C 173, AASHTO T 196, COVENIN 347, IRAM 1511, NMX C 158, NTC 1028, NTP 339.081), práctico para ensayos en obra de todos los tipos de concreto, pero especialmente indicado para concretos con agregados ligeros y porosos. Cuando se usan agregados mayores que 50 mm (2 pulg.), se los debe remover manualmente y el efecto de esta remoción se debe calcular para llegar al contenido de aire total. 3. Método gravimétrico (ASTM C 138, AASHTO T 121, COVENIN 349, NTP 339.046), requiere un conocimiento preciso de la densidad relativa y del volumen absoluto de los componentes del concreto. 4. Indicador de aire Chace (AASHTO T 199), una manera sencilla y barata de aproximación del contenido de aire del concreto fresco. Este aparato de bolsillo ensaya una muestra del mortero del concreto. Este ensayo no es un sustituto de los métodos más precisos tales como los métodos por presión, volumétrico y gravimétrico.

Análisis del Sistema de Vacíos de Aire del Concreto Fresco Los métodos convencionales para el análisis del aire en el concreto fresco, tales como el método por presión presentado anteriormente, miden sólo el volumen total de aire. Consecuentemente, no fornecen ninguna información sobre los parámetros para la determinación de la calidad del sistema de aire. Estos parámetros – el tamaño y el número de vacíos y el espaciamiento entre ellos – se pueden medir en muestras pulidas de concreto endurecido (ASTM C 457 y NTC 3791), pero el resultado de estos análisis están disponibles sólo muchos días después que el concreto se haya endurecido. Por lo tanto, un aparato llamado analizador de vacíos de aire (AVA) fue desarrollado para determinar los parámetros de la ASTM C 457 en muestras frescas de concreto con aire incluido. Así, se puede estimar el factor de espaciamiento, la superficie específica y la cantidad total de aire incluido. En este método, las burbujas de aire de la muestra fresca suben a través de un líquido viscoso, entran en una columna de agua y entonces suben por el agua, y un registrador colecta la fuerza ascendiente (Fig. 8-24). El líquido viscoso retiene los tamaños originales de las burbujas. Las burbujas grandes suben más rápidamente por el líquido que las pequeñas. Se registra la variación de la fuerza de ascensión en función del tiempo y se la puede relacionar con el número de burbujas de tamaños diferentes. Se pueden retirar las muestras de concretos fresco en la planta de concreto premezclado o en la obra. Ensayar el concreto antes y después de su colocación en la cimbra (encofrado) puede ayudar en la verificación de los efectos, sobre el sistema de aire, de los métodos de transporte, colocación y consolidación. Como las muestras se retiran

La prueba del índice de espuma se puede usar para medir el contenido necesario relativo del aditivo inclusor de aire en concretos conteniendo combinaciones de cemento y ceniza volante (Gebler y Klieger 1983). Las características de los vacíos de aire del concreto endurecido se pueden determinar por la ASTM C 457 y la NTC 3791. Estos ensayos se usan para la determinación del factor de espaciamiento de los vacíos de aire, el área superficial de los vacíos y el número de vacíos por longitud de la sección transversal.

Fig. 8-24. Burbujas de aire que suben a través del líquido en la columna. (67962)

Fig. 8-23. Equipo para el análisis del sistema de vacíos. 179


EB201

del concreto fresco, el contenido de aire y el sistema de aire se pueden ajustar durante la producción. Actualmente no hay normas para este método. El AVA no fue desarrollado para medir el contenido total de aire en el concreto y, debido al pequeño tamaño de la muestra, puede fornecer dados imprecisos de este contenido. Sin embargo, esto no significa que el AVA no sea útil como un método de evaluación de la calidad del sistema de vacíos de aire, pues ofrece buenos resultados si utilizado en conjunto con los métodos tradicionales de medida de contenido de aire (Aarre 1998).

3.0

Exposición Exposición moderada† suave†† 7 6 51⁄2 5 41⁄2 41⁄2 4 31⁄2

1.0

0.2

0.0 2

3 4 5 6 Contenido total de aire, porcentaje

7

(5,000 lb/pulg2) y presumidamente con relación aguacemento bien baja. La Figura 8-25 muestra como el contenido de aire y la relación agua-cemento (resistencias variando entre 410 kg/cm2 y 600 kg/cm2 o 40 y 59 MPa [5,800 a 8,600 lb/pulg2) afectan la resistencia a los descongelantes. Esto ilustra que concretos con relación agua-cemento muy baja son más resistentes a la congelación y a los descongelantes, por lo tanto, se puede permitir el uso de contenidos de aire menores. Esta relación (Fig. 8-25) no fue establecida para concretos con materiales cementantes suplementarios, por falta de estudios (Pinto y Hover 2001). El ACI 318 limita la cantidad de puzolana y escoria – 10% para el humo de sílice, 25% para la ceniza volante, 50% para la escoria – como parte del material cementante cuando en concretos expuestos a descongelantes. Sin embargo, diseñadores de mezclas deben consultar las prácticas locales sobre las dosis permitidas visando prevenir daños por la congelación y los descongelantes. Se pueden analizar las combinaciones de materiales sin registro histórico, utilizándose la ASTM C 666 (AASHTO T 161) y ASTM C 672. Pinto y Hover (2001) evaluaron la aplicabilidad de los requisitos del ACI 318 sobre a la resistencia a la congelación de mezclas de concreto de cemento portland con relación agua-cemento de 0.25 a 0.50. La Figura 8-26 ilustra el efecto del aumento del contenido de aire sobre la reducción de la expansión debida a la congelación-deshielo en concretos con diferentes tamaños de agregados, expuestos a ambiente saturado. Esto enseña la necesidad de obedecerse a los requisitos de la Tabla 8-6, en condiciones severas. Cuando el aire incluido no se hace necesario para la protección contra los ciclos de congelación-deshielo y los descongelantes, se puede emplear el blanco de aire para exposición suave, presentado en la Tabla 8-6. Se pueden usar contenidos de aire mayores, desde que se logre la resistencia de diseño. Como se enfatizó anteriormente, el aire incluido disminuye el sangrado (exudación) y la segregación y puede mejorar la trabajabilidad del concreto. Más información sobre el concreto con aire incluido se puede encontrar en Whiting y Nagi (1998).

Contenido de aire, porcentaje*

9 71⁄2 7 6 6 51⁄2 5 41⁄2

0.4

Fig. 8-25. Pérdida de masa medida después de 40 ciclos de exposición a congelación-deshielo en concretos con varios contenidos de cemento (Pinto y Hover 2001).

Tabla 8-6. Contenido Total de Aire Recomendado para el Concreto

<9.5 ( 3⁄8) 9.5 (3⁄8) 12.5 (1⁄2) 19.0 ( 3⁄4) 25.0 (1) 37.5 (11⁄2) 50 (2)‡ 75 (3)‡

2.0

1

La cantidad de aire a ser empleada en el concreto con aire incluido depende de: (1) tipo de la estructura, (2) condiciones del clima, (3) número de ciclos de congelacióndeshielo, (4) extensión de la exposición a los descongelantes y (5) la vida útil de la estructura. El ACI código de la construcción recomienda que el concreto que se va a exponer a la congelación y al deshielo en ambiente con humedad o a descongelantes debe tener el contenido de aire para exposición severa presentado en la Tabla 8-6. Además, la relación agua-materiales cementantes no debe exceder 0.45. El ACI 318 permite la reducción de un punto porcentual en la meta del contenido en concretos con resistencia mayor que 350 kg/cm2 o 34 MPa

Exposición severa**

Relación agua-cemento 0.40 0.35 0.30 0.25

0.0

CONTENIDOS RECOMENDADOS DE AIRE

Tamaño máximo nominal de agregado mm (pulg.)

0.6 ASTM C 672

Promedio de pérdida de masa en 40 ciclos, lb/pies2

Promedio de pérdida de masa en 40 ciclos, kg/m2

Diseño y Control de Mezclas de Concreto

5 41⁄2 4 31⁄2 3 21⁄2 2 11⁄2

* Las especificaciones de proyecto normalmente permiten que el contenido de aire sea entre -1% a +2% de la meta del contenido de aire de la tabla. ** Concreto expuesto a congelación-deshielo en presencia de humedad, descongelantes u otros agentes agresivos. † Concreto expuesto a congelación pero no con presencia constante de humedad y no en contacto con descongelantes o productos químicos agresivos. †† Concreto no expuesto a condiciones de congelación, descongelantes o agentes agresivos. ‡ Estos contenidos de aire se aplican a la mezcla total, así como a los tamaños de agregado de la mezcla. Sin embargo, al ensayarse estos concretos, los agregados mayores que 37.5 mm (11⁄2 pulg.) se deben retirar manualmente o por cribado y el contenido de aire se determinará en la fracción de concreto menor que 37.5 mm (11⁄2 pulg.) (Las tolerancias en el contenido de aire al entregarse el concreto se refieren a este valor).

180


Capítulo 8 ◆ Concreto con Aire Incluido 0.20 0.18 0.16

0.14 Expansión, porcentaje

ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (Requisitos del Código de Construcción de Concreto Estructural y Comentarios), ACI 318-02, ACI Committee 318 Report, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2002.

Ciclos congelación-deshielo: 300 Probetas: prismas de concreto de 75 x 75 x 280 mm (3 x 3 x 111/4 pulg.) Cemento: Tipo I ASTM, 310 kg/m3 (517 lb/yd3) Revenimiento: 50 a 75 mm (2 a 3 pulg.)

ACPA, Scale-Resistant Concrete Pavements (Pavimentos de Concreto Resistentes al Descascaramiento), IS117, American Concrete Pavement Association, Skokie, Illinois, 1996.

Tamaño máximo del agregado 9.5-mm (3/8-pulg.) 19.0-mm (3/4-pulg.) 37.5-mm (11/2-pulg.)

0.12

Bates, A. A.; Woods, H.; Tyler, I. L.; Verbeck, G. y Powers, T. C., “Rigid-Type Pavement (Pavimentos Rígidos),” Association of Highway Officials of the North Atlantic States, 28th Annual Convention Proceedings, páginas 164 a 200, Marzo1952.

0.10 0.08

Bloem, D. L., Air-Entrainment in Concrete (Aire Incluido en el Concreto), National Sand and Gravel Association and National Ready Mixed Concrete Association, Silver Spring, Maryland, 1950.

0.06 0.04

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0.02 0

0

2

4 6 8 10 Contenido de aire, porcentaje

12

14

Brown, F. P., y Cady, P. D., “Deicer Scaling Mechanisms in Concrete (Mecanismos de Descascaramiento del Concreto debido a los Descongelantes),” Durability of Concrete, ACI SP-47, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1975, páginas 101 a 119.

Fig. 8-26. Relación entre contenido de aire y la expansión de las pruebas de concreto ensayado durante 300 ciclos de congelación-deshielo en concretos con varios tamaños máximos del agregado. Cuanto menor el tamaño del agregado, más aire se requiere (Klieger 1952).

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181


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184


Capítulo 9

Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal El proceso de determinación de las características requeridas del concreto y que se pueden especificar se llama diseño de mezcla. Las características pueden incluir: (1) propiedades del concreto fresco, (2) propiedades mecánicas del concreto endurecido y (3) la inclusión, exclusión o límites de ingredientes específicos. El diseño de la mezcla lleva al desarrollo de la especificación del concreto. El proporcionamiento de la mezcla se refiere al proceso de determinación de las cantidades de los ingredientes del concreto, usando materiales locales, para que se logren las características especificadas. Un concreto adecuadamente proporcionado debe presentar las siguientes cualidades: • Trabajabilidad aceptable del concreto fresco • Durabilidad, resistencia y apariencia uniforme del concreto endurecido • Economía Es importante el entendimiento de los principios básicos del diseño de mezclas, tales como los cálculos usados para establecer las proporciones de la mezcla. Las cualidades citadas arriba se pueden alcanzar en la construcción de concreto sólo con la selección adecuada de los materiales y de las características de la mezcla (Fig. 9-1) (Abrams 1918, Hover 1998 y Shilstone, 1990).

ELECCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA MEZCLA Antes que se pueda determinar las proporciones de la mezcla, se seleccionan sus características considerándose el uso que se propone dar al concreto, las condiciones de exposición, tamaño y forma de los elementos y las propiedades físicas del concreto (tales como resistencia a la congelación y resistencia mecánica) requeridas para la estructura. Las características deben reflejar las necesidades de la estructura, por ejemplo, se debe verificar la resistencia a los iones cloruros y se deben especificar los métodos de ensayos apropiados. Después que se hayan elegido las características, se puede proporcionar la mezcla a partir de datos de campo o de laboratorio. Como la mayoría de las propiedades deseadas en el concreto endurecido dependen principalmente de la calidad de la pasta cementante, la primera etapa para el proporcionamiento del concreto es la elección de la relación agua-material cementante apropiada para la resistencia y durabilidad necesarias. Las mezclas de concreto se deben mantener lo más sencillas posible, pues un número excesivo de ingredientes normalmente dificulta el control del concreto. Sin embargo, el tecnólogo de concreto no debe descuidar la moderna tecnología del concreto.

Relación entre Resistencia y Relación Agua-Material Cementante La resistencia (compresión o flexión) es el indicador de la calidad del concreto más universalmente utilizado. A pesar de ser una característica importante, otras propiedades, tales como durabilidad, permeabilidad y resistencia al desgaste se reconocen hoy en día como de igual importancia o, en algunos casos, de mayor importancia, especialmente cuando se considera el ciclo de vida de la estructura. Dentro del rango normal de resistencias usadas en la construcción de concreto, la resistencia es inversamente

Fig. 9-1. (inferior) La mezcla de prueba verifica si el concreto cumple con los requisitos de diseño antes de su empleo en la obra. (69899, 70008). 185


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proporcional a la relación agua-cemento o agua-material cementante. Para concretos totalmente compactados, producidos con agregados limpios y sanos, la resistencia y otras propiedades requeridas del concreto, bajo las condiciones de obra, se gobiernan por la cantidad del agua de mezcla usada por unidad de cemento o material cementante (Abrams 1918). La resistencia de la pasta cementante en el concreto depende de la calidad y de la cantidad de componentes reactivos en la pasta y de su grado de hidratación. El concreto se vuelve más resistente con el tiempo, desde que la temperatura y la humedad disponibles sean adecuadas. Por lo tanto, la resistencia en cualquier edad es función tanto de la relación agua-material cementante original y del grado de hidratación del material cementante. La importancia del curado temprano y minucioso se reconoce fácilmente. La diferencia en la resistencia del concreto para una dada relación agua-cemento puede resultar de: (1) cambios del tamaño, granulometría, textura superficial, forma, resistencia y rigidez del agregado, (2) diferencias en los tipos y fuentes de material cementante, (3) contenido de aire incluido (incorporado), (4) la presencia de aditivos y (5) duración del curado.

ratorio para una determinada clase de concreto (ACI 318). Algunas especificaciones permiten rangos alternativos. El promedio de resistencia (resistencia media) debe ser igual a la resistencia especificada más una tolerancia que lleva en consideración las variaciones de los materiales, de los métodos de mezclado, del transporte y colocación del concreto y variaciones en la producción, curado y ensayo de probetas cilíndricas de concreto. La resistencia media, que es mayor que ˘, se llama Â, y es la resistencia requerida en el diseño de la mezcla. Los requisitos para la  se discuten en detalles en “Proporcionamiento”, más adelante en este capítulo. Las Tablas 9-1 y 9-2 muestran los requisitos de resistencia para varias condiciones de exposición. En proyectos de pavimentos, la resistencia a flexión se usa, algunas veces, en lugar de la resistencia a compresión. Sin embargo, la resistencia a flexión se evita debido a su gran variabilidad. Para más información sobre resistencia a flexión, consulte “Resistencia” en el Capítulo 1 y “Especimenes para Resistencia” en el Capítulo 16.

Relación Agua-Material Cementante La relación agua-material cementante es simplemente la masa del agua dividida por la masa del material cementante (cemento portland, cemento adicionado, ceniza volante, escoria, humo de sílice y puzolanas naturales). La relación agua-material cementante elegida para un diseño de mezcla debe ser el menor valor necesario para resistir a las condiciones de exposición anticipadas. Las Tablas 9-1 y 9-2 enseñan los requisitos para varias condiciones de exposición. Cuando la durabilidad no es el factor que gobierne, la elección de la relación agua-material cementante se debe basar en los requisitos de resistencia a compresión. En estos casos, la relación agua-material cementante y las

Resistencia La resistencia a compresión especificada (característica), ˘ a los 28 días, es la resistencia que el promedio de cualquier conjunto de tres ensayos consecutivos de resistencia debe lograr o superar. El ACI 318 requiere que el ˘ sea, por lo menos, 180 kg/cm2 o 17.5 MPa (2500 lb/pulg2). Ninguna prueba individual (promedio de dos cilindros) puede tener resistencia de 36 kg/cm2 o 3.5 MPa (500 lb/pulg2) inferior a la resistencia especificada. Los especimenes se deben curar bajo las condiciones de labo-

Tabla 9-1. Relación Agua-Material Cementante Máxima y Resistencia de Diseño Mínima para Varias Condiciones de Exposición Condición de exposición Concreto protegido de la exposición a congelación-deshielo, de la aplicación aplicación de sales de deshielo o de sustancias agresivas Concreto que se pretende que tenga baja permeabilidad cuando expuesto al agua Concreto expuesto a congelacióndeshielo en la condición húmeda y a descongelantes Para protección contra la corrosión del refuerzo (armadura) del concreto expuesto a cloruro de las sales descongelantes, agua salobra, agua del mar o rociado de estas fuentes.

Relación agua-material cementante máxima por masa de concreto Elija la relación agua-material cementante basándose en la resistencia, trabajabilidad y requisitos de acabado

Resistencia a compresión de diseño mínima f'c , kg/cm2 (MPa) [lb/pulg2] Elija la resistencia basándose en los requisitos estructurales

0.50

280 (28) [4000]

0.45

320 (31) [4500]

0.40

350 (35) [5000]

Adaptada del ACI 318 (2002).

186


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Tabla 9-2. Requisitos para el Concreto Expuesto a los Sulfatos del Suelo y del Agua*

Exposición a sulfatos

Sulfatos solubles en agua (SO4) presentes en el suelo, porcentaje en masa **

Sulfatos (SO4) en el agua, ppm**

Insignificante

Menor que 0.10

Menor que 150

Tipo de cemento ***

Relación agua-material cementante, máxima en masa

Resistencia a compresión de diseño mínima, f'c kg/cm2 MPa [lb/pulg2]

Ningún tipo especial necesario

Cemento de moderada resistencia a sulfatos

0.50

280 (28) [4000]

Moderada†

0.10 a 0.20

150 a 1500

Severa

0.20 a 2.00

1500 a 10,000

Cemento de alta resistencia a sulfatos

0.45

320 (31) [4500]

Muy severa

Mayor que 2.00

Mayor que 10,000

Cemento de alta resistencia a sulfatos

0.40

360 (35) [5000]

* Adaptada del ACI 318 (2002). ** Ensayados de acuerdo con el Método de Determinación de la Cantidad de Sulfatos Solubles en Sólido (Suelo y Rocas) y Muestras de Agua, Departamento de Recursos Hídricos Norteamericano (U.S. Bureau of Reclamation), Denver, 1977. *** Cementos ASTM C 150 (AASHTO M 85) tipos II y V, ASTM C 1157 tipos MS y HS, ASTM C 595 (AASHTO M 240) tipos I(SM), IS, P, IP. Los cementos en Argentina son CPN (ARS), CPN (ARI, MRS), CPP (BCH, ARS, RRAA), ARS, CPC (ARS) (IRAM 50000 y IRAM 50001). Los cementos en Chile son el siderúrgico y el puzolánico (Nch 148). Los cementos en Colombia son los tipos 2 y el 1M (NTC 121, 321). En Costa Rica, los cementos son tipo II, V (NCR40). En el Ecuador los cementos son tipo II (INEN 151, 152). En México, cementos tipo CPO-RS, CPEG, CPC (NMX – C – 414 – ONNCCE). En Perú, cementos tipo II, MS y V (NTP 334.009, 334.082 y 334.090). En Venezuela, cementos tipo II, V, CPPZ1, CPPZ2, CPPZ3 (COVENIN 28 y 3134). Las puzolanas y escorias que, a través de ensayos o registros de servicio, se mostraron eficientes en la mejoría de la resistencia a los sulfatos también se pueden usar. † Agua del mar.

proporciones de la mezcla para la resistencia requerida se deben basar en datos de campo adecuados o en mezclas de prueba que empleen los materiales de la obra, a fin de que se determine la relación entre la resistencia y la relación agua-material cementante. Cuando no se disponga de más datos, se pueden utilizar la Figura 9-2 y la Tabla 9-3 para elegir la relación agua-material cemen-

Table 9-3 (Métrica) Dependencia entre la Relación Agua-Material Cementante y la Resistencia a Compresión del Concreto Resistencia a Compresión a los 28 Días, kg/cm2 (MPa) 450 (45) 400 (40) 350 (35) 300 (30) 250 (25) 200 (20) 150 (15)

Resistencia a compresión a los 28 días, kg/cm2

MPa = 10.2 kg/cm2

8

500

6

400 Concreto sin aire incluido 300

4 200

Concreto con aire incluido 2

100

0 0.3

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Relación agua - material cementante

Resistencia a compresión a los 28 días, 1000 lb/pulg2

600

Relación agua-material cementante en masa Concreto sin Concreto con aire incluido aire incluido 0.38 (0.38) 0.43 (0.42) 0.48 (0.47) 0.55 (0.54) 0.62 (0.61) 0.70 (0.69) 0.80 (0.79)

0.31 (0.30) 0.34 (0.34) 0.40 (0.39) 0.46 (0.45) 0.53 (0.52) 0.61 (0.60) 0.72 (0.70)

La resistencia se basa en cilindros sometidos al curado húmedo por 28 días, de acuerdo con la ASTM C 31 (AASHTO T 23). La dependencia asume el agregado con un tamaño máximo nominal de 19 a 25 mm. Adaptada del ACI 211.1 y del ACI 211.3.

Table 9-3 (Unidades en Pulgadas-Libras) Dependencia entre la Relación Agua-Material Cementante y la Resistencia a Compresión del Concreto Resistencia a Compresión a los 28 days, lb/pulg2

0 0.9

7000 6000 5000 4000 3000 2000

Fig. 9-2. Relación aproximada entre resistencia a compresión y relación agua-material cementante para el concreto con agregado grueso de tamaño máximo nominal de 19 mm a 25 mm (3⁄4 a 1 pulg.). La resistencia se basa en cilindros curados por 28 días en ambiente húmedo, de acuerdo con la ASTM C 33 (AASHTO T 23). Adaptado de la tabla 9-3 del ACI 211.1, ACI 211.3 y Hover 1995.

Relación agua-material cementante en masa Concreto sin Concreto con aire incluido aire incluido 0.33 0.41 0.48 0.57 0.68 0.82

— 0.32 0.40 0.48 0.59 0.74

La resistencia se basa en cilindros sometidos al curado húmedo por 28 días, de acuerdo con la ASTM C 31 (AASHTO T 23). La dependencia asume el agregado con un tamaño máximo nominal de 3⁄4 a 1 pulg. Adaptada del ACI 211.1 y del ACI 211.3.

187


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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tante, con base en el promedio requerido de la resistencia, Â, para mezclas de pruebas. En el diseño de mezclas, la relación agua-material cementante, a/mc, se usa frecuentemente como sinónimo de la relación agua-cemento (a/c). Sin embargo, algunas especificaciones diferencian las dos relaciones. Tradicionalmente, la relación agua-cemento se refiere a la relación agua-cemento portland o agua-cemento adicionado.

de mezcla que un agregado triturado, en concretos con el mismo revenimiento (véase “Contenido de Agua”). El tamaño máximo del agregado grueso que producirá el concreto con la mayor resistencia, para un dado contenido de cemento, depende de la fuente del agregado, bien como de su forma y granulometría. En el concreto de alta resistencia (mayor que 700 kg/cm2 o 70 MPa [10,000 lb/pulg2), el tamaño máximo es cerca de 19 mm (3⁄4 pulg.). Las resistencias más elevadas también se pueden lograr con el empleo de piedra triturada en vez de grava redondeada. La granulometría más deseada para el agregado fino dependerá del tipo de obra, del contenido de pasta de la mezcla y del tamaño máximo del agregado grueso. En mezclas más pobres, se desea una granulometría fina (módulo de finura más bajo) para lograrse una buena trabajabilidad. En mezclas más ricas, se usa una granulometría más gruesa (mayor módulo de finura) para aumentar la economía. En algunas áreas, los cloruros químicamente adheridos al agregado pueden dificultar que el concreto cumpla con los límites del ACI 318 u otras especificaciones. Sin embargo, parte o hasta incluso todos los cloruros en los agregados pueden no estar disponibles para la corrosión del acero de refuerzo y, por lo tanto, aquellos cloruros se deben ignorar. La ASTM PS 118 (será redesignada como ASTM C 1500), ensayo Soxhlet de cloruro extraído, se puede usar para la evaluación de los cloruros disponibles en el agregado. El ACI 222.1 también presenta una orientación. El volumen de agregado grueso se puede determinar a través de la Figura 9-3 o de la Tabla 9-4. Estos volúmenes se basan en agregados en la condición varillados en seco, conforme se describe en ASTM C 29 (AASHTO T 19), COVENIN 0263, IRAM 1548 , NMX-C-073, NTC 92, NTP 400.017 y UNIT-NM 45. Se los eligen a través de relaciones empíricas a fin de que se produzca un concreto con un grado de trabajabilidad adecuado para la construcción de

Agregados Dos características de los agregados tienen una influencia importante en el proporcionamiento de las mezclas de concreto porque afectan la trabajabilidad del concreto fresco: • Granulometría (tamaño y distribución de las partículas) • Naturaleza de las partículas (forma, porosidad, textura de la superficie) La granulometría es importante para que se logre una mezcla económica, pues afecta la cantidad de concreto que se puede producir para una dada cantidad de material cementante y agua. Los agregados gruesos deben tener el mayor tamaño máximo posible para las condiciones de la obra. El tamaño máximo que se puede usar depende de factores tales como la forma del miembro de concreto que se va a colar, la cantidad y la distribución del acero de refuerzo (armadura) en el miembro y el espesor de la losa. La granulometría también influye en la trabajabilidad y la facilidad de colocación del concreto. Algunas veces, hay carencia del agregado de tamaño mediano, cerca de 9.5 mm (3⁄8 pulg.), en el suministro de agregado. Esto puede resultar en un concreto con alta contracción, demanda elevada de agua y baja trabajabilidad. Su durabilidad también se puede afectar. Hay muchas opciones para obtenerse una granulometría ideal del agregado (Shilstone 1990). El tamaño máximo del agregado grueso no debe exceder un quinto de la menor dimensión entre los lados de las cimbras (encofrados), ni tampoco, tres cuartos la distancia libre entre las varillas o cables de refuerzo individual, paquetes de varillas o tendones o ductos de presfuerzo (pretensado, presforzado, precomprimido). También es una buena práctica limitar el tamaño del agregado para que no supere tres cuartos del espacio libre entre el refuerzo y la cimbra. En losas sobre el terreno sin refuerzo, el tamaño máximo del agregado no debería exceder un tercio del espesor de la losa. Se pueden usar tamaños menores cuando la disponibilidad o alguna consideración económica lo requieran. La cantidad de agua de mezcla necesaria para producir un volumen unitario de concreto, para un dado revenimiento (asentamiento), depende de la forma, del tamaño máximo y de la cantidad de agregado grueso. Los tamaños mayores minimizan los requisitos de agua y, por lo tanto, permiten la disminución del contenido de cemento. Un agregado redondeado requiere menos agua

Tabla 9-4. Volumen de Agregado Grueso por Volumen Unitario de Concreto Tamaño máximo nominal del agregado mm (pulg.) 9.5 12.5 19.00 25.00 37.5 50 75 150

3

( ⁄8) (1⁄2) (3⁄4) (1) (11⁄2) (2) (3) (6)

Volumen del agregado grueso varillado en seco por volumen unitario de concreto para diferentes módulos de finura de agregado fino* 2.40 0.50 0.59 0.66 0.71 0.75 0.78 0.82 0.87

2.60 0.48 0.57 0.64 0.69 0.73 0.76 0.80 0.85

2.80 0.46 0.55 0.62 0.67 0.71 0.74 0.78 0.83

3.00 0.44 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72 0.76 0.81

*Los volúmenes se basan en agregados varillados en seco como descrito en la ASTM C 29 (AASHTO T 19). Adaptada del ACI 211.1.

188


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal

0

Tamaño máximo nominal del agregado, pulg. 0.5 1 1.5 2 2.5

3 8

Tamaño máximo nominal del agregado, pulg. 0.5 1 1.5 2 2.5

3

7 0.8 Meta del contenido de aire, %

Fracción del volumen del agregado grueso en relación al volumen del concreto

0.9

0

0.7

0.6 Módulo de finura = 2.4 Módulo de finura = 2.6

0.5

6

Exposición severas (descongelantes)

5 Exposición moderada

4 3

Exposición suave 2

Módulo de finura = 2.8

0.4

0

25 50 Tamaño máximo nominal del agregado, mm

Concreto sin aire incluido

1

Módulo de finura = 3.0 75

Fig. 9-3. Volumen del agregado grueso por unidad de volumen de concreto. Los volúmenes se basan en agregados en la condición varillados en seco, como se describe en ASTM C 29 (AASHTO T 19). Para concretos más trabajables, como los concretos bombeables, este volumen se puede reducir hasta 10%. Adaptado de la tabla 9-4, ACI 211-1 y Hover (1995 y 1998).

0 0

10 20 30 40 50 60 Tamaño máximo nominal del agregado, mm

70

Fig. 9-4. Los requisitos de contenido total de aire para concretos con diferentes tamaños de agregados. Las especificaciones de obra para el contenido de aire deben requerir que se entregue el concreto en la obra con -1 hasta +2 puntos porcentuales de los valores para exposición moderada y severa. Adaptado de la tabla 9-5, ACI 211.1 y Hover (1995 y 1998).

concreto reforzado (armado) en general. Para concretos menos trabajables, tales como los necesarios en la construcción de pavimentos, el volumen de agregado se puede aumentar en cerca de 10%. Para concretos más trabajables, tales como los necesarios para el bombeo, el volumen se puede reducir en hasta 10%.

exposición. En mezclas proporcionadas adecuadamente, el aumento del tamaño máximo del agregado lleva a la disminución del contenido de mortero y, por consecuencia, a la disminución del contenido de aire requerido en el concreto, como se puede observar en la Figura 9-4. El ACI 211.1 define los niveles de exposición, como sigue: Exposición Blanda. Esta exposición incluye las condiciones de servicio en interiores y exteriores, en un clima donde el concreto no se expondrá a congelación ni a descongelantes. Cuando se desee la inclusión de aire por sus efectos benéficos distintos de la durabilidad, tales como trabajabilidad, cohesión o aumento de la resistencia en mezclas con bajo contenido de cemento, se pueden usar contenidos de aire inferiores a aquéllos necesarios para la durabilidad.

Contenido de Aire El aire incluido (incorporado) se debe usar en todo el concreto que será expuesto a congelación-deshielo y a productos químicos descongelantes y se lo puede utilizar para mejorar la durabilidad, incluso donde no se lo requiera. La inclusión de aire se logra con el uso de cemento portland con inclusor de aire o con la adición de aditivo inclusor (incorporador) de aire en la mezcladora. La cantidad de aditivo se debe ajustar para compensar las variaciones de los ingredientes en el concreto y de las condiciones de la obra. La cantidad recomendada por el fabricante del aditivo producirá, en la mayoría de los casos, el contenido deseado. Los contenidos de aire recomendado para el concreto con aire incluido se presentan en la Figura 9-4 y en la Tabla 9-5. Nótese que la cantidad de aire necesaria para proveer una resistencia adecuada contra congelación-deshielo depende del tamaño máximo del agregado y del grado de

Exposición Moderada. Servicio en clima donde se espera la ocurrencia de congelación, pero el concreto no se expondrá continuadamente a la humedad o al agua libre por largos periodos antes de la congelación, ni tampoco se expondrá a descongelantes o a otros productos químicos agresivos. Son ejemplos de esta exposición las vigas, columnas, muros, trabes o losas exteriores que no estén en contacto con el suelo húmedo y que no reciban aplicación directa de descongelantes. 189


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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Tabla 9-5. (Métrica). Requisitos Aproximados de Agua de Mezcla y Contenido de Aire para Diferentes Revenimientos y Tamaños Máximos Nominales del Agregado Agua, kilogramos por metro cúbico de concreto, para los tamaños de agregado indicados* Revenimiento (asentamiento) (mm)

9.5 mm

12.5 mm

19 mm

25 mm

37.5 mm

50 mm**

75 mm**

150 mm**

Concreto sin aire incluido 25 a 50 75 a 100 150 a 175 Cantidad aproximada de aire atrapado en un concreto sin aire incluido, porcentaje

207 228 243

199 216 228

190 205 216

179 193 202

166 181 190

154 169 178

130 145 160

113 124 —

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0.3

0.2

Concreto con aire incluido 25 a 50 75 a 100 150 a 175 Promedio del contenido de aire total recomendado, para el nivel de exposición, porcentaje† Exposición blanda Exposición moderada Exposición severa

181 202 216

175 193 205

168 184 197

160 175 184

150 165 174

142 157 166

122 133 154

107 119 —

4.5 6.0 7.5

4.0 5.5 7.0

3.5 5.0 6.0

3.0 4.5 6.0

2.5 4.5 5.5

2.0 4.0 5.0

1.5 3.5 4.5

1.0 3.0 4.0

* Estas cantidades de agua de mezcla son para utilizarse en el cálculo de los contenidos de cementos en las mezclas de prueba. Estas cantidades son máximas para agregados gruesos razonablemente angulares con granulometría dentro de los límites de las especificaciones. ** El revenimiento (asentamiento) del concreto conteniendo agregado mayor que 37.5 mm se basa en el ensayo de revenimiento realizado después de la remoción de las partículas mayores que 37.5 mm, a través de cribado húmedo. † Las especificaciones de obra deben especificar un contenido de aire en el concreto entregado en la obra dentro -1 +2 puntos porcentuales del valor anotado en la tabla para las exposiciones moderada y severa. Adaptada del ACI 211.1 y del ACI 318. Hover (1995) presenta esta información en la forma de gráfico.

Tabla 9-5. (Unidades Pulgadas-Libras). Requisitos Aproximados de Agua de Mezcla y Contenido de Aire para Diferentes Revenimientos y Tamaños Máximos Nominales del Agregado Agua, pulgadas por yarda cúbica de concreto, para los tamaños de agregado indicados* Revenimiento (asentamiento) (pulg.)

3

⁄8 pulg.

1

⁄2 pulg.

3

⁄4 pulg.

1 pulg.

11⁄2 pulg.

2 pulg.**

3 pulg.**

6 pulg.**

Concreto sin aire incluido 1a2 3a4 6a7 Cantidad aproximada de aire atrapado en un concreto sin aire incluido, porcentaje

350 385 410

335 365 385

315 340 360

300 325 340

275 300 315

260 285 300

220 245 270

190 210 —

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0.3

0.2

Concreto con aire incluido 1a2 3a4 6a7 Promedio del contenido de aire total recomendado, para el nivel de exposición, porcentaje† Exposición blanda Exposición moderada Exposición severa

305 340 365

295 325 345

280 305 325

270 295 310

250 275 290

240 265 280

205 225 260

180 200 —

4.5 6.0 7.5

4.0 5.5 7.0

3.5 5.0 6.0

3.0 4.5 6.0

2.5 4.5 5.5

2.0 3.5 5.0

1.5 3.5 4.5

1.0 3.0 4.0

* Estas cantidades de agua de mezcla son para utilizarse en el cálculo de los contenidos de cementos en las mezclas de prueba. Estas cantidades son máximas para agregados gruesos razonablemente angulares con granulometría dentro de los límites de las especificaciones. ** El revenimiento (asentamiento) del concreto conteniendo agregado mayor que 11⁄2 pulg. se basa en el ensayo de revenimiento realizado después de la remoción de las partículas mayores que 11⁄2 pulg., a través de cribado húmedo.. † Las especificaciones de obra deben especificar un contenido de aire en el concreto entregado en la obra dentro -1 +2 puntos porcentuales del valor anotado en la tabla para las exposiciones moderada y severa. Adaptada del ACI 211.1 y del ACI 318. Hover (1995) presenta esta información en la forma de gráfico.

190


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Exposición Severa. Concreto que se expondrá a descongelantes o a otros productos químicos agresivos o el concreto que se pueda volver altamente saturado por el contacto continuo con humedad o agua libre antes de la congelación. Son ejemplos de esta exposición los pavimentos, tableros de puentes, bordillo, cunetas, aceras, revestimiento de canales o tanques de agua y pozos exteriores. Cuando se mantiene constante el agua de mezcla, el aire incluido aumenta el revenimiento (asentamiento). Cuando se mantienen constantes el contenido de cemento y el revenimiento, la inclusión de aire resulta en la disminución de la demanda de agua de mezcla, principalmente en mezclas pobres. Al realizarse el ajuste de la mezcla, a fin de que se mantenga constante el revenimiento mientras se cambia el contenido de aire, el contenido de agua se debe disminuir cerca de 3 kg/m3 (5 lb/yd3) para cada punto porcentual de incremento en el contenido de aire o se lo debe aumentar cerca de 3 kg/m3 (5 lb/yd3) para cada punto porcentual de disminución en el contenido de aire. Un contenido específico de aire puede no ser posible que se logre fácilmente o repetidamente debido a muchas variables que afectan la inclusión de aire y, por lo tanto, se debe proveer un rango permisible de contenido de aire alrededor de un cierto valor. A pesar que frecuentemente se usa el rango de ±1% de la Figura 9-4 y de la Tabla 9-5 en las especificaciones de proyecto, a veces este es un límite muy estrecho e impracticable. La solución es el uso de un rango más amplio, tal como -1 a + 2 puntos porcentuales de los valores fijados. Por ejemplo, para un valor de 6% de aire, el rango especificado para el concreto entregado en la obra podría ser de 5% a 8%.

características de los materiales, de las proporciones de la mezcla, del contenido de agua, del mezclado, del tiempo del ensayo o de la propia prueba. Son necesarios diferentes valores de revenimientos para los varios tipos de construcción. Generalmente, se indica el revenimiento en la especificación de la obra como un rango, como de 50 a 100 mm (2 a 4 pulg.) o como un valor máximo que no se debe exceder. La ASTM C 94 e IRAM 1666 presentan en detalles las tolerancias para el revenimiento. Cuando no se especifica el revenimiento, un valor aproximado se puede elegir de la Tabla 9-6 para la consolidación mecánica del concreto. En el ajuste de la mezcla, se puede aumentar el revenimiento en cerca de 10 mm con la adición de 2 kilogramos de agua por metro cúbico de concreto (1 pulgada con la adición de 10 libras por yarda cúbica de concreto).

Tabla 9-6. Revenimientos Recomendados para Varios Tipos de Construcción Revenimiento mm (pulg.) Construcción de Concreto

Máximo*

Mínimo

Zapatas y muros de cimentación reforzado

75 (3)

25 (1)

Zapatas, cajones y muros de subestructuras sin refuerzo

75 (3)

25 (1)

Vigas y muros reforzados

100 (4)

25 (1)

Columnas de edificios

100 (4)

25 (1)

Pavimentos y losas

75 (3)

25 (1)

Concreto masivo

75 (3)

25 (1)

*Se puede aumentar 25 mm (1 pulg.) para los métodos de consolidación manuales, tales como varillado o picado. Los plastificantes pueden proveer revenimientos mayores. Adaptada del ACI 211.1.

Revenimiento Siempre se debe producir el concreto para que tenga trabajabilidad, consistencia y plasticidad adecuadas con las condiciones de la obra. La trabajabilidad es la medida de la facilidad o de la dificultad de colocación, consolidación y acabado del concreto. La consistencia es la habilidad del concreto de fluir. Plasticidad es la facilidad de moldeo del concreto. Si se usa más agregado en el concreto o si se adiciona menos agua, la mezcla se vuelve más rígida (menos plástica y menos trabajable) y difícil de moldearse. Ni las mezclas muy secas y desmoronables, ni las muy aguadas y fluidas se pueden considerar plásticas. El ensayo de revenimiento (asentamiento) se usa para medir la consistencia del concreto. Para una dada proporción de cemento y agregado, sin aditivos, cuanto mayor el revenimiento, más húmeda es la mezcla. El revenimiento es un indicador de trabajabilidad cuando se evalúan mezclas similares. Sin embargo, no se lo debe utilizar para comparar mezclas de proporciones totalmente diferentes. Si se lo usa en diferentes revolturas (bachadas, amasadas) del mismo diseño de mezcla, un cambio en el revenimiento indica un cambio en la consistencia y en las

Contenido de Agua El contenido de agua se influencia por un gran número de factores: tamaño, forma y textura del agregado, revenimiento, relación agua-material cementante, contenido de agua, tipo y contenido de material cementante, aditivos y condiciones ambientales. Un aumento del contenido de aire y del tamaño del agregado, una reducción de la relación agua-material cementante y del revenimiento o el uso de agregados redondeados, de aditivos reductores de agua o de ceniza volante reducirá la demanda de agua. Por otro lado, el aumento de la temperatura, del contenido de cemento, del revenimiento (asentamiento), de la relación agua-cemento, de la angularidad del agregado y la disminución de la proporción entre el agregado grueso y el agregado fino aumentaran la demanda de agua. El contenido de agua aproximado de la Tabla 9-5 y de la Figura 9-5, usado en el proporcionamiento, son para el agregado angular (piedra triturada). Para algunos con191


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tamaño máximo nominal del agregado, pulg.

Tamaño máximo nominal del agregado, pulg. 250

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.5

1

1.5

2

2.5

3

250

400

Concreto sin aire incluido Re

400

Concreto con aire incluido

ni

m

Re

ve

150

ni

ie n

m

to

ie n

ie n

to

to

350 de

de

de

15

0a

75

25

175

a10

a5

mm

0m

0m

(6 a

m (3

m (1

7 pu

a4p

a2p

300

lg .)

u l g .)

u l g .)

250

350

Re

200

ve nim Re iento de 1 ve 50 a nim 1 75 m ie n to d m (6 a e 7 pulg. 75 a Re ) 100 v en mm ( imie 3 a 4 pu nto de 2 lg.) 5a5 0 mm (1 a 2 pulg.)

150

300

250

200 100

0

10 20 30 40 50 60 Tamaño máximo nominal del agregado, mm

70

Demanda de agua (lb/yd3)

200

im

Demanda de agua (kg/m3)

ve

Demanda de agua (lb/yd3)

Re

Demanda de agua (kg/m3)

v

en

0

3

200 100

169

169 0

10

20 30 40 50 60 Tamaño máximo nominal del agregado, mm

70

Fig. 9-5. Demanda de agua aproximada para varios revenimientos y tamaños de agregados triturados para (izquierda) concreto sin aire incluido y (derecha) concreto con aire incluido. Adaptado de la tabla 9-5, ACI 211.1 y Hover (1995 y 1998).

cretos y agregados, la estimativa de la Tabla 9-5 y de la Figura 9-5 se puede reducir aproximadamente 10 kg/m3 (20 lb/yd3) para el agregado subangular, 20 kg/m3 (35 lb/yd3) para grava con algunas partículas trituradas y 25 kg/m3 (45 lb/yd3) para grava redondeada, para que se obtenga el revenimiento enseñado. Esto muestra la necesidad de las mezclas de prueba para los materiales locales, pues cada fuente de agregado es diferente y puede afectar de manera diversa las propiedades del concreto. Se debe tener en mente que el cambio de la cantidad de cualquier ingrediente del concreto normalmente afecta las proporciones de los otros ingredientes, bien como, altera las propiedades de la mezcla. Por ejemplo, la adición de 2 kg de agua por metro cúbico aumentará el revenimiento en aproximadamente 10 mm (10 lb de agua por yarda cúbica aumentará el revenimiento en aproximadamente 1 pulgada), además de aumentar el volumen de aire y el contenido de pasta y disminuir el volumen de agregado y la densidad del concreto. En el ajuste de las mezclas, para un mismo revenimiento, una disminución de 1% en el contenido del aire aumentará la demanda de agua en cerca de 3 kg por metro cúbico (5 lb por yarda cúbica) de concreto.

habitualmente se incluye un contenido de cemento mínimo en las especificaciones en conjunto con una relación agua-material cementante máxima. Los requisitos de contenido mínimo de cemento tienen como objetivo asegurar durabilidad y acabado satisfactorios, mejorar la resistencia al desgaste de losas y garantizar una apariencia adecuada para las superficies verticales. Esto es importante aún cuando los requisitos de resistencia se cumplan con contenidos de materiales cementantes más bajos. Sin embargo, se deben evitar cantidades de materiales cementantes excesivamente elevadas, para que se mantenga la economía en la mezcla y no afecte adversamente la trabajabilidad y otras propiedades. En exposición severa a congelación-deshielo, descongelantes y sulfatos es deseable especificarse: (1) un contenido mínimo de 335 kg de material cementante por metro cúbico de concreto (564 lb por yarda cúbica) y (2) sólo la cantidad suficiente de agua de mezcla para que se logre la consistencia deseada sin exceder la relación agua-material cementante máxima presentada en las Tablas 9-1 y 9-2. Para la colocación del concreto bajo el agua, normalmente no se debe usar menos que 390 kg de material cementante por metro cúbico (650 lb de material cementante por yarda cúbica) de concreto y relación aguamaterial cementante que no supere 0.45. Para trabajabilidad, facilidad de acabado, resistencia a abrasión y durabilidad de superficies planas, no se debe utilizar una cantidad de material cementante menor que aquélla presentada en la Tabla 9-7.

Contenido y Tipo de Materiales Cementantes El contenido de materiales cementantes frecuentemente se determina a través de la relación agua-material cementante elegida y del contenido de cemento, a pesar que 192


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Tabla 9-7. Requisitos Mínimos de Material Cementante para Concreto Usado en Superficies Planas Tamaño máximo nominal del agregado, mm (pulg.) 37.5 25 19 12.5 9.5

(11⁄2) (1) (3⁄4) (1⁄2) (3⁄8)

Tabla 9-8. Requisitos de Materiales Cementantes para Concreto Expuesto a Descongelantes

Material cementante*

Porcentaje máxima con relación a la cantidad total de material cementante (en masa)**

Ceniza volante y puzolana natural

25

Escoria

50

Humo de sílice

10

Total de ceniza volante, humo de sílice y puzolanas naturales

50†

Total de puzolanas naturales y humo de sílice

35†

Material cementante kg/m3 (lb/yd3)* 280 (470) 310 (520) 320 (540) 350 (590) 360 (610)

* Las cantidades de material cementante talvez tengan que aumentarse en la exposición severa. Por ejemplo, en el caso de exposición a descongelantes, el concreto debe contener, por lo menos, 335 kg/m3 (564 lb/yd3) de material cementante. Adaptada del ACI 302.

* Incluye la parte del material cementante suplementario en el cemento adicionado (mezclado). ** Material cementante suplementario total incluyéndose la suma del cemento portland, cemento adicionado, ceniza volante, escoria, humo de sílice y puzolanas. † El humo de sílice no debe superar 10% del total de los materiales cementantes y la ceniza volante y las otras puzolanas no deben exceder 25%. Adaptada del ACI 318.

Para economizar, la cantidad de cemento requerida se debe minimizar sin sacrificarse la calidad del concreto. Como la calidad depende principalmente de la relación agua-cemento, el contenido de agua se debe mantener mínimo, a fin de reducir los requisitos de cemento. Algunas medidas para disminuir los requisitos de agua y cemento incluyen el uso de: (1) la mezcla más áspera que se pueda utilizar, (2) el uso del mayor tamaño máximo de agregado posible y (3) la relación óptima agregado finoagregado grueso. El concreto que se expondrá a sulfatos se debe producir con el tipo de cemento presentado en la Tabla 9-2. El agua del mar contiene cantidades significativas de sulfatos y cloruros. A pesar que los sulfatos en el agua del mar sean capaces de atacar el concreto, la presencia de cloruros inhibe la reacción expansiva que es una de las características del ataque de sulfatos. Esta es la principal explicación para que varias fuentes hayan considerado el desempeño del concreto en agua del mar con durabilidad satisfactoria, a pesar de que estos concretos se produjeron con cementos portland con contenidos de aluminato tricálcico (C3A) tan altos como 10% o hasta mayores. Sin embargo, la permeabilidad de estos concretos era muy baja y el acero de refuerzo (armadura) tenía recubrimiento adecuado. Son aceptables los cementos portland que cumplan con los requisitos de C3A no superior a 10%, ni inferior a 4% (para garantizar la durabilidad del refuerzo) (ACI 357R). Los materiales cementantes suplementarios tienen varios efectos sobre la demanda de agua y el contenido de aire. La adición de ceniza volante generalmente reduce la demanda de agua y el contenido de aire si no se ajusta el contenido de aditivo inclusor de aire. El humo de sílice aumenta la demanda de agua y disminuye el contenido de aire. Escoria y metacaolinita tienen poco efecto cuando usados en dosis normales. La Tabla 9-8 presenta los límites de las cantidades de material cementante suplementario en el concreto expuesto a descongelantes. Se deben consultar las prácticas locales, pues, dependiendo de la severidad de exposición, dosis menores o mayores que aquéllas de la

Tabla 9-8 se pueden usar sin arriesgar la resistencia al descascaramiento.

Aditivos Los aditivos reductores de agua se adicionan al concreto para reducir la relación agua-material cementante, la cantidad de material cementante, el contenido de agua, el contenido de pasta o para mejorar la trabajabilidad del concreto sin cambiar la relación agua-material cementante. Los reductores de agua generalmente reducen los contenidos de cemento en 5% a 10% y algunos también aumentan el contenido de aire en 1⁄2 % a 1%. Los retardadores (retardantes) también pueden aumentar el contenido de aire. Los reductores de agua de alto rango reducen el contenido de agua entre 12% y 30% y algunos pueden aumentar simultáneamente el contenido de aire en 1%, mientras que otros pueden reducir o no tener ningún efecto en el contenido de aire. Los aditivos con base de cloruro de calcio reducen el contenido de agua en cerca del 3% y aumentan el contenido de aire cerca de 1⁄2%. Al utilizarse un aditivo con base de cloruros, se debe considerar el riesgo de corrosión del refuerzo. La Tabla 9-9 provee los límites recomendados del contenido de iones cloruro solubles en agua para el concreto reforzado (armado) y el concreto pretensado (presfuerzo, presforzado, precomprimido) en varias condiciones. Cuando se utiliza más de un aditivo en el concreto, el fabricante debe asegurar la compatibilidad del entremezclado de los aditivos, o la combinación de los aditivos se debe ensayar en mezclas de pruebas. El agua contenida 193


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Proporciones de Concretos de Alta Resistencia con Cemento Portland y Ceniza Volante (ACI 211.4R) y Guía para Proposición de Proporciones de Concreto (ACI 211.5). Hover (1995 y 1998) presenta un proceso gráfico para el diseño de mezclas de concreto, de acuerdo con el ACI 211.1.

Tabla 9-9. Contenidos Máximos de Iones Cloruros para la Protección contra la Corrosión

Tipo de miembro

Contenido máximo de ión cloruro (Cl- ) en el concreto, porcentaje por masa de cemento*

Concreto pretensado

0.06

Concreto reforzado expuesto a cloruro durante servicio

0.15

Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad durante servicio

1.00

Otras construcciones de concreto reforzado

0.30

Proporcionamiento a partir de Datos de Campo Un diseño de mezcla que se encuentre en uso o que fue previamente utilizado se lo puede usar en un nuevo proyecto si los datos de ensayo de resistencia y las desviaciones padrones muestren que la mezcla es aceptable. Los aspectos de durabilidad anteriormente presentados también se deben satisfacer. Los datos estadísticos deben representar los mismos materiales, proporciones y condiciones de colado para que se los pueda utilizar en el nuevo proyecto. Los datos usados para el proporcionamiento también deben proceder de un concreto con un ˘ dentro de 70 kg/cm2 o 7 MPa (1000 lb/pulg2) de la resistencia requerida para el trabajo propuesto. Además, los datos deben representar, por lo menos, 30 ensayos consecutivos o dos grupos de pruebas consecutivas que totalicen, por lo menos, 30 ensayos (cada prueba o ensayo es el promedio de la resistencia de dos cilindros de la misma muestra). Si están disponibles sólo de 15 a 29 pruebas consecutivas, se puede obtener una desviación (desvio) estándar corregida multiplicando la desviación estándar (S) de los 15 a 29 ensayos por el factor de corrección de la Tabla 9-10. Los datos deben representar, por lo menos, 45 días de pruebas. La desviación estándar o modificada se usa en las ecuaciones 9-1 y 9-2. El promedio de la resistencia a compresión de las pruebas registradas debe ser igual o mayor que la resistencia a compresión media requerida por el ACI 318, Â, para que las proporciones del concreto sean aceptables. El  para proporciones de mezclas seleccionadas es igual al mayor valor obtenido por las ecuaciones 9-1 y 9-2 (para ˘ ≤ 350 kg/cm2 (35 MPa)

*ASTM C 1218. Adaptada del ACI 318.

en los aditivos se debe considerar como parte del agua de mezcla, si el contenido de agua en el aditivo fuera suficiente para afectar la relación agua-material cementante en 0.01 o más. El uso excesivo de aditivos múltiplos se debe minimizar para un mejor control de la mezcla de concreto y para disminuir la incompatibilidad de los aditivos.

PROPORCIONAMIENTO El diseño de las mezclas de concreto involucra: (1) en el establecimiento de características específicas y (2) en la elección de proporciones de materiales disponibles para la producción del concreto con las propiedades requeridas y la mayor economía. Los métodos de proporcionamiento evolucionaron desde el método volumétrico arbitrario (1: 2: 3 – cemento: arena: agregado grueso) a principios del siglo XX (Abrams 1918) hasta los métodos actuales de masa y volumen absoluto, descritos en el ACI comité 211, Práctica Estándar de Elección de las Proporciones para el Concreto Normal, de Densidad Elevada y Masivo (ACI 211.1). Los métodos de proporcionamiento a través de masa son bastante sencillos y rápidos para estimar las proporciones de la mezcla, usando una masa supuesta o conocida de concreto por unidad de volumen. El método del volumen absoluto es más preciso y envuelve el uso de las densidades (gravedad específica) de todos los ingredientes para calcular el volumen absoluto que cada uno de ellos ocupará en una unidad de volumen de concreto. El método del volumen absoluto será enseñado en este capítulo. Una mezcla de concreto también se puede proporcionar por la experiencia de campo (datos estadísticos) o de mezclas de pruebas. Algunos documentos valiosos para ayudar en el proporcionamiento del concreto incluyen: Práctica Estándar de Elección de las Proporciones para el Concreto Ligero (ACI 211.2), Guía para la Elección de las Proporciones de Concretos de Revenimiento Cero (ACI 211.3), Guía para la Elección de

Tabla 9-10. Factor de Corrección para la Desviación Estándar cuando están disponibles menos de 30 Ensayos Número de Ensayos*

Factor de corrección para la desviación estándar**

Menos de 15

Use tabla 9-11

15

1.16

20

1.08

25

1.03

30 o más

1.00

* Interpole para números intermediarios de ensayos. ** La desviación estándar modificada se debe usar para determinar la resistencia media requerida, f'cr. Adaptada del ACI 318.

194


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal [500 lb/pulg2]) o ecuaciones 9-1 y 9-3 (para ˘ > 350 kg/cm2 (35 MPa) [500 lb/pulg2]). Â = ˘ + 1.34S

Ec. 9-1

 = ˘ + 2.33S – 3.45 (MPa)  = ˘ + 2.33S – 35 (kg/cm2)  = ˘ + 2.33S – 500 (lb/pulg2)

Ec. 9-2 Ec. 9-2 Ec. 9-2

lizar como documentación para mostrar que la resistencia media (promedio de resistencia) de la mezcla es igual o mayor que Â. Si menos de 30, pero no menos de 10 ensayos están disponibles, los ensayos se pueden usar para la documentación de la resistencia media, si el periodo de tiempo es superior a 45 días. Las proporciones de la mezcla también se pueden establecer interpolándose entre dos o más registros de pruebas, si cada uno de ellos obedece los requisitos del proyecto. Si existe una diferencia significativa entre las mezclas que se usan para la interpolación, se debe elaborar una mezcla de prueba para verificar el desarrollo de resistencia. Si los registros de los ensayos cumplen con los requisitos y limitaciones anteriores del ACI 318, las proporciones para la mezcla se pueden considerar aceptables para la obra propuesta. Si el promedio de la resistencia de las mezclas con datos estadísticos es menor que Â, o los datos estadísticos o los registros de los ensayos son insuficientes o no están disponibles, se debe proporcionar la mezcla a través del método de mezcla de prueba. La mezcla aprobada debe tener una resistencia a compresión que atienda o supere Â. Se deben ensayar tres mezclas de prueba usándose tres relaciones agua-material cementante diferentes o tres contenidos de material cementante diferentes. Entonces se puede trazar la curva de relación agua-material cementante con relación a la resistencia (similar a la Figura 9-2) y las proporciones se pueden interpolar a partir de los datos. También es una buena práctica ensayarse las propiedades de la mezcla recién proporcionada a través de una mezcla de prueba. El ACI 214 provee métodos de análisis estadístico para el control de la resistencia del concreto en el campo, a fin de asegurar que la mezcla atienda adecuadamente o supere la resistencia de diseño (resistencia de cálculo), ˘.

 = 0.90 ˘ + 2.335 Ec. 9-3 Donde:  = resistencia a compresión media del concreto requerida como base para la elección de las proporciones de la mezcla, MPa (kg/cm2) [lb/pulg2] ˘ = resistencia a compresión especificada del concreto, MPa (kg/cm2) [lb/pulg2] S = desviación estándar, MPa (kg/cm2) [lb/pulg2] Cuando los registros de los ensayos de resistencia no cumplen con los requisitos previamente discutidos, el  se puede obtener de la Tabla 9-11. Un registro de resistencia de campo, varios registros de ensayo de resistencia o ensayos de mezclas de prueba se deben uti-

Tabla 9-11. (Métrica-kg/cm2) Resistencia a Compresión Media Requerida cuando no hay Datos Disponibles para Establecer la Desviación Estándar Resistencia a compresión especificada, f'c , kg/cm2 Menos de 210 210 a 350 Más de 350

Resistencia compresión media requerida, kg/cm2

f'c + 70 f'c + 84 1.10 f'c + 50

Adaptada del ACI 318.

Tabla 9-11. (Métrica-MPa) Resistencia a Compresión Media Requerida cuando no hay Datos Disponibles para Establecer la Desviación Estándar Resistencia a compresión especificada, f'c , MPa Menos de 21 21 a 35 Más de 35

Proporcionamiento con Mezclas de Prueba

Resistencia compresión media requerida, MPa

Cuando no hay registro de ensayos de campo disponibles o son insuficientes para el proporcionamiento a través de métodos de experiencia de campo, las proporciones de la mezcla elegidas se deben basar en mezclas de pruebas. Las mezclas de prueba deben utilizar los mismos materiales de la obra. Se deben elaborar tres mezclas con tres relaciones agua-material cementante distintas o tres contenidos de cemento diferentes, a fin de producir un rango de resistencias que contengan Â. Las mezclas de prueba deben tener un revenimiento (asentamiento) y un contenido de aire dentro ±20 mm (± 0.75 pulg.) y ±0.5%, respectivamente, del máximo permitido. Se deben producir y curar tres cilindros para cada relación agua-material cementante, de acuerdo con ASTM C 192 (AASHTO T 126), COVENIN 0340, COVENIN 0338, IRAM 1534, NMXC-159, NTC 1377, NTP 339.045 o UNIT-NM 79. A los 28 días, o a una edad especificada, se debe determinar la resistencia a compresión a través de los ensayos a compresión de los cilindros. Los resultados de las pruebas se

f'c + 7 f'c + 8.5 1.10 f'c + 5.0

Adaptada del ACI 318.

Tabla 9-11. (Unidades pulgada-libra) Resistencia a Compresión Media Requerida cuando no hay Datos Disponibles para Establecer la Desviación Estándar Resistencia a compresión especificada, f'c , lb/pulg. Menos de 3000 3000 a 5000 Más de 5000

Resistencia compresión media requerida, lb/pulg2

f'c + 1000 f'c + 1200 1.10 f'c + 700

Adaptada del ACI 318.

195


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

deben diseñar para producir una curva de resistencia versus relación agua-material cementante (similar a la Figura 9-2) que se usa para proporcionar la mezcla. Varios métodos diferentes se han utilizado para proporcionar los ingredientes del concreto, incluyéndose: Asignación arbitraria (1:2:3), volumétrica Relación de vacíos Módulo de finura Área superficial de los agregados Contenido de cemento Cualquiera de estos métodos puede producir aproximadamente la misma mezcla final después de los ajustes en el campo. Sin embargo, el mejor enfoque es la elección de las proporciones basándose en la experiencia del pasado y en datos de ensayo fiables con la relación entre resistencia y relación agua-material cementante establecida para los materiales que se utilizaran en la obra. Las mezclas de prueba pueden ser revolturas (amasadas) relativamente pequeñas, con precisión de laboratorio, o revolturas de gran volumen, producidas durante la producción normal del concreto. Normalmente, se hace necesario el uso de ambas para que se logre una mezcla satisfactoria para la obra. En primer lugar, se deben elegir los siguientes parámetros: (1) resistencia requerida, (2) contenido mínimo de material cementante o relación agua-material cementante máxima, (3) tamaño máximo nominal del agregado, (4) contenido de aire y (5) revenimiento deseado. Entonces, se producen las mezclas de prueba, variándose las cantidades relativas de agregado fino y grueso, bien como los otros ingredientes. Se elige la proporción de la mezcla, basándose en consideraciones de trabajabilidad y economía. Cuando la calidad del concreto se especifica por la relación agua-material cementante, los procedimientos de mezcla de prueba consisten esencialmente en la combinación de la pasta (agua, material cementante y, generalmente, los aditivos químicos) de las proporciones correctas con la cantidad necesaria de agregados finos y gruesos para producir el revenimiento y la trabajabilidad requeridas. Se deben utilizar muestras representativas de los materiales cementantes, del agua, de los agregados y de los aditivos. Entonces, se calculan las cantidades por metro cúbico (yarda cúbica). Los agregados se deben pre-humedecer y secar hasta la condición saturada con superficie seca (SSS) para simplificar los cálculos y eliminar los errores causados por las variaciones en el contenido de humedad de los agregados. Los agregados se colocan en recipientes cubiertos para que se mantengan en la condición SSS hasta que se los utilice. La humedad de los agregados se debe determinar y las masas de la mezcla de prueba se deben corregir adecuadamente. El tamaño de la mezcla depende de los equipos disponibles y del número y tamaño de los especimenes de prueba que se van a utilizar. Revolturas mayores producirán datos más precisos. Se recomienda el mezclado

mecánico pues representa mejor las condiciones de obra y es obligatorio en el caso de los concretos con aire incluido. Se deben utilizar los procedimientos de mezclado que se presentan en ASTM C 192 (AASHTO T 126), COVENIN 0340, COVENIN 0338, IRAM 1534, NMX-C-159, NTC 1377, NTP 339.045 o UNIT-NM 79.

Mediciones y Cálculos Se deben realizar los ensayos de revenimiento, contenido de aire y temperatura en las mezclas de prueba, además de las siguientes mediciones y cálculos: Densidad (Masa Unitaria, Peso Volumétrico, Peso Unitario) y Rendimiento. La densidad (masa unitaria, peso volumétrico, peso unitario) del concreto fresco se expresa en kilogramos por metro cúbico (libras por yardas cúbicas). El rendimiento es el volumen del concreto fresco producido en una mezcla, normalmente expreso en metros cúbicos (pies cúbicos). El rendimiento se calcula dividiendo la masa total de la revoltura por la densidad del concreto fresco. La densidad y el rendimiento se determinan por ASTM C 138, COVENIN 0349, IRAM 1562, NCh1564, NMX-C-162-ONNCCE-2000, NTP 339.046, UNIT-NM 56. Volumen Absoluto. El volumen absoluto del material granular (tales como cemento y agregados) es el volumen de la materia sólida en las partículas y no incluye el volumen de los vacíos de aire entre ellas. El volumen (rendimiento) del concreto fresco es igual a la suma de los volúmenes absolutos de sus ingredientes – materiales cementantes, agua (exclusive el agua absorbida en los agregados), agregados, aditivos cuando se los utiliza y aire. El volumen absoluto se calcula a partir de la masa de los materiales y las densidades relativas (gravedad específica), como sigue: Volumen absoluto = masa de material suelto densidad relativa del material x densidad del agua Se puede usar un valor de 3.15 para la densidad relativa (gravedad específica) del cemento portland. Los cementos adicionados (mezclados) tienen una densidad relativa que varía de 2.90 a 3.15. La densidad relativa de la ceniza volante varía de 1.9 a 2.8, de la escoria de 2.85 a 2.95 y del humo de sílice de 2.20 a 2.25. La densidad relativa del agua es 1.0 y la densidad del agua es 1000 kg/m3 (62.4 lb/pies3) a 4°C (39°F) – suficientemente preciso para los cálculos de la mezcla a la temperatura ambiente. Las densidades más precisas del agua se presentan en la Tabla 9-12. La densidad relativa del agregado normal, habitualmente varía entre 2.4 y 2.9. La densidad relativa de los agregados que se usa en los cálculos de diseño de la mezcla puede ser la densidad relativa tanto en la condición saturada con superficie seca (SSS) como también en la condición seca en el horno. Las densidades relativas de los aditivos, tales como los reductores de agua, también se pueden considerar si necesario. 196


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Tabla 9-12. Densidad del Agua versus Temperatura Temperatura, °C 16 18 20 22 24 26 28 30

Densidad, kg/m3 998.93 998.58 998.19 997.75 997.27 996.75 996.20 995.61

El volumen absoluto normalmente se expresa en metros cúbicos (yardas cúbicas). El volumen absoluto del aire en el concreto, expreso en metros cúbicos por metros cúbicos (yardas cúbicas por yardas cúbicas), es igual al contenido total de aire en porcentaje dividido por 100 (por ejemplo, 7% ÷ 100) y multiplicado por el volumen del concreto de la revoltura. El volumen del concreto en la revoltura se puede determinar por dos métodos: (1) si las densidades relativas de los agregados y los materiales cementantes se conocen, se los pueden utilizar para calcular el volumen del concreto, (2) si no se conocen las densidades, o si varían, se puede calcular el volumen dividiéndose la masa total de los materiales en la mezcladora por la densidad del concreto. En algunos casos, se realizan las dos determinaciones, una para verificar la otra.

Densidad, lb/pie3 62.368 62.337

70

62.302

75

62.261

80 85

62.216 62.166

humedad en la condición SSS) y densidad seca en el horno varillada (masa unitaria, peso volumétrico) de 1600 kg/m3. La muestra de laboratorio para las mezclas de prueba tenía una humedad de 2%.

EJEMPLOS DE PROPORCIONAMIENTO DE MEZCLA

Agregado fino:

Arena natural (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82, UNIT 84) densidad relativa seca en el horno de 2.64, absorción de 0.7%. La muestra de laboratorio para las mezclas de prueba tenía una humedad de 6%. El módulo de finura es 2.80.

Aditivo inclusor de aire:

Del tipo resina de madera (ASTM C 260 o AASHTO M 154).

Reductor de agua: ASTM C 494 (AASHTO M 194). Este aditivo se conoce por reducir la demanda de agua en 10%, cuando se usa una dosis de 3 g (o 3 mL) por kg de cemento. Se asume que los aditivos químicos tienen una densidad similar al agua, lo que significa que 1 mL de aditivo tiene una masa de 1g.

Ejemplo 1. Método del Volumen Absoluto (Métrico) Condiciones y Especificaciones. Se requiere el concreto para un pavimento que se expondrá a la humedad en un ambiente severo de congelación-deshielo. Resistencia a compresión especificada, ˘, de 350 kg/cm2 a los 28 días. Se requiere aire incluido. El revenimiento debe ser entre 25 mm y 75 mm. Se necesita un agregado de tamaño máximo nominal de 25 mm. No hay datos estadísticos anteriores disponibles. Los materiales disponibles son los siguientes: Cemento:

Temperatura, °F 60 65

A partir de esta información, la tarea es proporcionar una mezcla de prueba que cumplirá con las condiciones y especificaciones anteriormente citadas. Resistencia. La resistencia de diseño de 350 kg/cm2 es mayor que la resistencia requerida en la Tabla 9-1 para la exposición a condiciones severas. Como no hay datos estadísticos disponibles, Â (resistencia a compresión requerida para el proporcionamiento) de la Tabla 9-11 es igual a ˘ + 84 (kg/cm2), por lo tanto, Â = 350 + 84 = 434 kg/cm2.

ASTM tipo GU (uso general) con densidad relativa de 3.0.

Agregado grueso: Bien graduado. Grava arredondeada con tamaño máximo nominal de 25 mm (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82, UNIT 84) con densidad relativa seca en el horno de 2.68, absorción de 0.5% (contenido de

Relación Agua-Cemento. Para un ambiente con congelación-deshielo, la relación agua-cemento máxima debería ser 0.45. La relación agua-cemento recomendada para la resistencia de 434 kg/cm2 es 0.32, a través de la Figura 9-2 o interpolada de la Tabla 9-3 ([(450-434)(0.34-0.31)/(450-400)]+ 0.31 = 0.32). Como la

197


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 conocidos. El volumen absoluto del agua, cemento, aditivos y agregado grueso se calcula dividiéndose la masa conocida de cada uno de ellos por el producto de su densidad relativa y la densidad del agua. Los cálculos del volumen son como sigue:

relación agua-cemento más baja gobierna, la mezcla se debe diseñar para 0.32. Si hubiera existido una curva con datos de mezclas de prueba, la relación agua-cemento se podría obtener de estos datos. Contenido de Aire. Para la exposición severa a congelación-deshielo, la Tabla 9-5 recomienda un contenido de aire de 6.0% para el agregado de 25 mm. Por lo tanto, se debe diseñar la mezcla para 5% a 8% de aire y se debe usar 8% (máximo permitido) para las proporciones de la revoltura. El contenido de aire de la mezcla de prueba debe estar entre ±0.5% del contenido máximo permitido. Revenimiento (Asentamiento). El revenimiento especificado está entre 25 mm y 75 mm. Use 75 mm ± 20mm para el proporcionamiento.

Agua

=

135 1 x 1000

= 0.135 m3

Cemento

=

422 3.0 x 1000

= 0.141 m3

Aire

=

8.0 100

= 0.080 m3

1072 2.68 x 1000

= 0.400 m3

Agregado grueso =

Volumen total de los ingredientes

Contenido de Agua. La Tabla 9-5 y la Figura 9-5 recomiendan que un concreto de 75 mm de revenimiento, con agregado de 25 mm y aire incluido debería tener un contenido de agua de 175 kg/m3. Sin embargo, la grava arredondeada puede reducir el contenido de agua de la Tabla en cerca de 25 kg/m3. Por lo tanto, el contenido de agua se puede estimar en 150 kg/m3 (175 kg/m3 menos 25 kg/m3). Además, el reductor de agua reducirá la demanda de agua en cerca de 10%, resultando en una demanda de agua estimada de 135 kg/m3.

0.756 m3

El volumen absoluto calculado del agregado fino es 1 - 0.756 = 0.244 m3 La masa seca del agregado fino es: 0.244 x 2.64 x 1000 = 644 kg La mezcla entonces tiene las siguientes proporciones, antes de la mezcla de prueba con un metro cúbico de concreto:

Contenido de Cemento. El contenido de cemento se basa en la relación agua-cemento máxima y en el contenido de agua. Por lo tanto, 135 kg/m3 de agua dividido por la relación agua-cemento de 0.32 resulta en un contenido de cemento de 422 kg/m3, que es mayor que 335 kg/m3, necesario para la resistencia a congelación (Tabla 9-7).

Agua

135 kg

Cemento

422 kg

Agregado grueso (seco)

1072 kg

Agregado fino (seco)

Contenido de Agregado Grueso. La cantidad de agregado grueso de tamaño máximo nominal de 25 mm se puede estimar a través de la Figura 9-3 o la Tabla 9-4. El volumen del agregado grueso recomendado, cuando se usa una arena con módulo de finura de 2.80, es 0.67. Como el agregado pesa 1600 kg/m3, la masa seca en el horno del agregado grueso por metro cúbico de concreto es:

644 kg

Masa total

2273 kg

Aditivo inclusor de aire

0.211 kg

Reductor de agua

1.266 kg

Revenimiento 75 mm (± 20 mm para la mezcla de prueba) Contenido de aire 8% (± 0.5% para la mezcla de prueba) Densidad estimada del concreto (usando agregado SSS)

1600 x 0.67 = 1072 kg Contenido de Aditivo. Para 8% de contenido de aire, el fabricante del aditivo inclusor de aire recomienda una dosis de 0.5g por kg de cemento. De esta información, la cantidad de aditivo inclusor de aire por metro cúbico de concreto es:

= 135 + 422 + (1072 x 1.005*) + (644 x 1.007*) = 2283 kg/m3

El volumen del aditivo líquido es generalmente tan insignificante que no se lo incluye en los cálculos de agua. Sin embargo, ciertos aditivos, tales como los reductores de contracción, plastificantes e inhibidores de corrosión, son excepción, debido a sus dosis elevadas y sus volúmenes se deben incluir.

0.5 x 422 = 211 g o 0.211 kg La dosis del reductor de agua es 3g por kg de cemento, que resulta en:

Humedad. Son necesarias correcciones para la humedad en y sobre los agregados. En la práctica, los agregados contienen una cantidad mensurable de humedad. Las masas secas de los agregados, por lo tanto, se deben

3 x 422 = 1266 g o 1.266 kg de reductor de agua por metro cúbico de concreto. Contenido de Agregado Fino. En este punto, las cantidades de los ingredientes, a excepción del agregado fino, se conocen. En el método del volumen absoluto, el volumen del agregado fino se determina sustrayendo, de un metro cúbico, los volúmenes absolutos de los ingredientes

* (0.5% de absorción ÷ 100) + 1 = 1.005 (0.7% de absorción ÷ 100) + 1 = 1.007

198


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal aumentar para compensar la humedad que se absorbe y que se retiene en la superficie de cada partícula y entre las partículas. El agua de mezcla que se adiciona se debe reducir por la cantidad de humedad libre de los agregados. Los ensayos indican que, para este ejemplo, el contenido de humedad del agregado grueso es 2% y del agregado fino es 6%.

puede no ser usada, o agua adicional puede ser necesaria para que se logre el revenimiento requerido. En este ejemplo, a pesar de que se calculó 8.5 kg de agua, la mezcla de prueba utilizó realmente sólo 8.0 kg. Por lo tanto, la mezcla, excluyéndose los aditivos, se vuelve: Agua Cemento

Con los contenidos de humedad (CH) indicados, las proporciones de agregados de la mezcla de prueba se vuelven:

227.8 kg 2274 kg/m3

Agua adicionada

=

=

Agregado grueso (2% de CH, húmedo) 1093 kg 683 kg

Aditivo inclusor de aire

0.211 kg

Reductor de agua

1.266 kg

1266 g x 0.1 = 127 g o 127 mL

13.03 kg

=

130 kg

Como se necesita de menos agua de mezcla, también el contenido de cemento se disminuye para que se mantenga la relación agua-cemento deseada de 0.31. El nuevo contenido de cemento es:

228.3 kg

Reductor de agua

= 3.42 kg

(3 kg de agua x 1% de diferencia en el aire) – (2 kg de agua x 25/10 para el cambio de revenimiento) + 130 = 128 kg de agua.

683 x 0.1 = 68.3 kg

211 g x 0.1 = 21.1 g o 21.1 mL

x 0.053*

Ajustes de la Mezcla. El revenimiento de 100 mm de la mezcla de prueba no es aceptable (mayor que 75 ± 20 mm máximo), el rendimiento fue un poco elevado y el contenido de aire incluido de 9% también se presentó un poco alto (más de 0.5% que el máximo de 8.5%). Se debe ajustar el rendimiento y reestimar la dosis de aditivo inclusor de aire para el contenido de 8% y también ajustar el agua para el revenimiento de 75 mm. Se debe aumentar el contenido de agua de mezcla en 3 kg/m3 para cada 1% de disminución de aire y reducir 2 kg/m3 para cada 10 mm de reducción del revenimiento. El agua de mezcla ajustada para la reducción del revenimiento y del aire es:

8.5 kg

Aditivo inclusor de aire

68.3 1.06

12.97 0.10026

Agregado grueso (húmedo) 1093 x 0.1 = 109.3 kg Total

= 1.61 kg

El agua de mezcla necesaria para un metro cúbico del concreto de mismo revenimiento de la mezcla de prueba es:

422 x 0.1 = 42.2 kg

Agregado fino (húmedo)

x 0.015*

Total de agua

Mezcla de Prueba. En esta etapa, las masas estimadas se deben verificar a través de mezclas de pruebas o mezclas con el mismo volumen de la revoltura de obra. Se debe mezclar una cantidad suficiente de concreto para los ensayos de revenimiento (asentamiento) y aire, para el moldeo de 3 cilindros para el ensayo de resistencia a compresión a los 28 días y vigas para ensayo a flexión, si necesario. Para la mezcla de prueba de laboratorio es conveniente la disminución del volumen para la producción de 0.1 m3 de concreto, como sigue: Cemento

109.3 1.02

Agua libre en el agregado fino

422 kg

2283 kg

8.0 kg

Agua libre en el agregado grueso

85 kg

Total

= 0.10018 m3

El contenido de agua de mezcla se determina por el agua adicionada más el agua libre en los agregados y se calcula como sigue:

La masa de la mezcla estimada para un metro cúbico se revisa para incluir la humedad de los agregados:

85 x 0.1 =

227.8 kg

El rendimiento de la mezcla de prueba es

135 – (1072 x 0.015) – (644 x 0.053) = 85 kg

Agua

68.3 kg

Total

El agua absorbida por los agregados no se torna parte del agua de la mezcla y se la debe excluir del ajuste de agua. La humedad superficial contribuida por el agregado grueso es 2% - 0.5% = 1.5%. La humedad contribuida por el agregado fino es 6% - 0.7% = 5.3%. El requisito estimado para el agua se vuelve:

Agregado fino (6% de CH, húmedo)

109.3 kg

Agregado fino (húmedo)

Agregado fino (6% CH) = 644 x 1.06 = 683 kg

Cemento

42.2 kg

Agregado grueso (húmedo)

Agregado grueso (2% CH) = 1072 x 1.02 = 1093 kg

Agua (a ser adicionada)

8.0 kg

Este concreto, cuando se lo mezcló, presentó un revenimiento de 100 mm, contenido de aire de 9% y densidad de 2274 kg/m3. Durante el mezclado, parte del agua medida

* 2% de CH – 0.5% de absorción = 0.015 6% de CH – 0.7% de absorción = 0.053

199


Diseño y Control de Mezclas de Concreto 128 0.31

EB201 la masa de la mezcla para que conserve la misma trabajabilidad u otras propiedades obtenidas en la primera mezcla de prueba. Después de ajustarse los materiales cementantes, el agua y el contenido de aire, el volumen restante para el agregado se proporciona adecuadamente entre los agregados fino y grueso. También se deben ensayar mezclas de prueba adicionales, con relaciones agua-cemento mayor y menor que 0.31, a fin de desarrollarse una relación entre resistencia y relación agua-cemento. A partir de aquellos datos, se puede proporcionar y ensayar una mezcla más económica, con resistencia a compresión más cerca de la  y menor contenido de cemento. La mezcla final probablemente se parecería a la mezcla anterior con el revenimiento entre 25 mm y 75 mm y un contenido de aire de 5% a 8%. La cantidad de aditivo inclusor de aire se debe ajustar para las condiciones de la obra, a fin de que se mantenga el contenido de aire especificado.

= 413 kg

La cantidad de agregado grueso permanece la misma, pues la trabajabilidad es satisfactoria. Las masas de la nueva mezcla ajustada, basadas en los nuevos contenidos de cemento y agua se calculan con los siguientes cálculos: Agua

=

128 1 x 1000

=

0.128 m3

Cemento

=

413 3.0 x 1000

=

0.138 m3

Agregado grueso (seco)

=

1072 2.68 x 1000

=

0.400 m3

Aire

=

8 100

=

0.080 m3

Total Agregado fino

0.746 m3 = 1 – 0.746=

0.254 m3

La masa necesaria de agregado fino seco es: 0.256 x 2.64 x 1000 = 671 kg

Ejemplo 2. Método del Volumen Absoluto (Unidades Pulgada y Libras)

El aditivo inclusor de aire (el fabricante sugiere la reducción de 0.1 g para la disminución de 1%) = 0.4 x 413 = 165 g o mL Reductor de agua

Condiciones y Especificaciones. Se requiere concreto para la cimentación (cimiento, fundación) de un edificio. Se necesita una resistencia a compresión especificada ˘ de 3500 lb/pulg2 a los 28 días usando el cemento tipo I ASTM. El diseño requiere un recubrimiento mínimo de 3 pulgadas de concreto sobre el acero de refuerzo (armadura). La distancia mínima entre las varillas de refuerzo es 4 pulg. El único aditivo permitido es el inclusor de aire. No hay datos estadísticos disponibles de mezclas anteriores. Los materiales disponibles son los siguientes:

= 3.0 x 413 = 1239 g o mL

Las masas de la mezcla ajustada por metro cúbico de concreto son: Agua

128 kg

Cemento

413 kg

Agregado grueso (seco) Agregado fino (seco) Total Aditivo inclusor de aire Reductor de agua

1072 kg 671 kg

Cemento:

2284 kg 165 g o mL

Tipo I ASTM C 150 con densidad relativa de 3.15.

Agregado grueso: Bien graduado. Grava conteniendo algunas partículas trituradas, tamaño máximo nominal de 3⁄4 pulg. (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMXC-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82, UNIT 84) con densidad relativa seca en el horno de 2.68, absorción de 0.5% (contenido de humedad en la condición SSS) y densidad seca en el horno varillada (masa unitaria, peso volumétrico) de 100 lb/yarda3. La muestra de laboratorio para la mezcla de prueba tiene 2% de contenido de humedad.

1239 g o mL

Densidad estimada = 128 + 413 + (1072 x 1.005) del concreto (agregado + (671 x 1.007) en SSS) = 2294 kg/m3 Después de verificarse las proporciones ajustadas a través de una mezcla de prueba, se ha observado que el concreto presentó revenimiento, contenido de aire y rendimiento deseados. Los cilindros tuvieron un promedio de resistencia a compresión a los 28 días de 489 kg/cm2 o 48 MPa, que supera el ˘ de 444 kg/cm2 o 43.5 MPa. Las fluctuaciones del contenido de humedad, de la absorción y de la densidad relativa (gravedad específica) del agregado pueden ocasionar diferencia entre la densidad calculada y la densidad medida a través de ASTM C 138 (AASHTO T 121), COVENIN 0349, IRAM 1562, NCh1564, NMX-C-162-ONNCCE-2000, NTP 339.046, UNIT-NM 56. Ocasionalmente, la proporción entre el agregado fino y grueso se mantiene constante al ajustarse

Agregado fino:

200

Arena natural (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82,


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Contenido de Aditivo. Para 7% de contenido de aire, el fabricante del aditivo inclusor de aire recomienda una dosis de 0.9 onza fl por 100 lb de cemento. De esta información, la cantidad de aditivo inclusor de aire por metro cúbico de concreto es:

UNIT 84) densidad relativa seca en el horno de 2.64, absorción de 0.7%. La muestra de laboratorio para las mezclas de prueba tiene una humedad de 6%. El módulo de finura es 2.80. Aditivo inclusor de aire:

Del tipo resina de madera (ASTM C 260 o AASHTO M 154).

0.9 x

A partir de esta información, la tarea es proporcionar una mezcla de prueba que cumplirá con las condiciones y especificaciones anteriormente citadas.

643 100

= 5.8 onza fl por yarda cúbica

Contenido de Agregado Fino. En este punto, las cantidades de los ingredientes, a excepción del agregado fino, se conocen. En el método del volumen absoluto, el volumen del agregado fino se determina sustrayendo, de 27 pies cúbicos (1 yarda cúbica), los volúmenes absolutos de los ingredientes conocidos. El volumen absoluto del agua, cemento y agregado grueso se calcula dividiéndose la masa conocida de cada uno de ellos por el producto de su densidad relativa y la densidad del agua. Los cálculos del volumen son como sigue:

Resistencia. Como no hay datos estadísticos disponibles, la ˘ (resistencia a compresión necesaria para el diseño de la mezcla) de la Tabla 9-11 es igual a ˘ + 1200. Por lo tanto, Â = 3500 + 1200 = 4700 lb/pulg2. Relación Agua-Cemento. La Tabla 9-1 no requiere una relación agua-cemento máxima. La relación agua-cemento recomendada para la resistencia de 4700 lb/pulg2 es 0.42, a través de la Figura 9-2 o interpolada de la Tabla 9-3 ([(5000-4700)(0.48-0.40)/(5000-4000)]+ 0.40 = 0.42). Agregado Grueso. De la información especificada, el agregado con tamaño máximo nominal de 3⁄4 pulg. es adecuado, pues es menor que 3⁄4 de la distancia entre las varillas de refuerzo y entre las varillas de refuerzo y la cimbra (recubrimiento). Contenido de Aire. Se recomienda un contenido de aire de 6.0%, no debido a las condiciones de exposición, pero para mejorar la trabajabilidad. Por lo tanto, se debe diseñar la mezcla para 6% ± 1% de aire y se debe usar 7% (máximo permitido) para las proporciones de la revoltura. El contenido de aire de la mezcla de prueba debe estar entre ±0.5% del contenido máximo permitido.

Agua

=

270 1 x 62.4

=

4.33 pie3

Cemento

=

643 3.15 x 62.4

=

3.27 pie3

Aire

=

7.0 100

x 27 =

1.89 pie3

1674 2.68 x 62.4 Volumen total de los ingredientes Agregado grueso

=

= 10.01 pie3 =

19.50 pie3

El volumen absoluto calculado del agregado fino es 27- 19.50 = 7.50 pie3 La masa seca del agregado fino es:

Revenimiento (Asentamiento). Como no se especificó ningún revenimiento, uno de 1 a 3 pulg. sería adecuado, conforme la Tabla 9-6. Para fines de proporcionamiento, se usa 3 pulg., el máximo permitido para cimentaciones.

7.50 x 2.64 x 62.4 = 1236 lb La mezcla entonces tiene las siguientes proporciones, antes de la mezcla de prueba con un metro cúbico de concreto:

Contenido de Agua. La Tabla 9-5 y la Figura 9-5 recomiendan que un concreto de 3 pulg. de revenimiento, con agregado de 3⁄4 pulg. debería tener un contenido de agua de 305. Sin embargo, la grava con algunas partículas trituradas puede reducir el valor del contenido de agua de la tabla cerca de 35 lb. Por lo tanto, el contenido de agua se puede estimar en cerca de 305 lb menos 35 lb, o sea 270 lb.

Agua

270 lb

Cemento

643 lb

Agregado grueso (seco)

1674 lb

Agregado fino (seco)

1236 lb

Contenido de Cemento. El contenido de cemento se basa en la relación agua-cemento máxima y en el contenido de agua. Por lo tanto, 270 lb de agua dividido por la relación agua-cemento de 0.42 resulta en un contenido de cemento de 643 lb.

Masa total

3823 lb

Contenido de Agregado Grueso. La cantidad de agregado grueso de tamaño máximo nominal de 3⁄4 pulg. se puede estimar a través de la Figura 9-3 o de la Tabla 9-4. El volumen del agregado grueso recomendado, cuando se usa una arena con módulo de finura de 2.80, es 0.62. Como el agregado pesa 100 lb/pie3, la masa seca en el horno del agregado grueso por yarda (27 pies cúbicos) de concreto es:

Contenido de aire 7% (± 0.5% para la mezcla de prueba)

Aditivo inclusor de aire

5.8 onza fl

Revenimiento 3 pulg. (± 3⁄4 pulg. para la mezcla de prueba)

Densidad estimada del concreto (usando agregado SSS)

= [270 + 643 + (1674 x 1.005*) + (1236 x 1.007*)] / 27 = 142.22 lb/ pie3

* (0.5% de absorción ÷ 100) + 1 = 1.005 (0.7% de absorción ÷ 100) + 1 = 1.007

100 x 27 x 0.62 = 1674 lb por yarda cúbica de concreto 201


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 [Los laboratorios frecuentemente convierten las onzas fluidas en mililitros, multiplicando las onzas fluidas por 29.57353, a fin de mejorar la precisión de la medida. Además, la mayoría de las pipetas usadas en los laboratorios para medir fluidos están graduadas en mililitros.] El concreto arriba, cuando mezclado, presento un revenimiento de 4 pulg., contenido de aire de 8% y una densidad (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico) de 141.49 lb/pie3. Durante el mezclado, parte del agua medida puede no ser usada o agua adicional puede ser necesaria para que se logre el revenimiento requerido. En este ejemplo, a pesar de que se calculó 13.26 lb de agua, la mezcla de prueba utilizó realmente sólo 13.12 lb. Por lo tanto, la mezcla, excluyéndose los aditivos, se vuelve: Agua 13.12 lb Cemento 47.63 lb Agregado grueso (2% de CH, húmedo) 126.44 lb Agregado fino (6% de CH, húmedo) 97.04 lb

Humedad. Son necesarias correcciones para la humedad en y sobre los agregados. En la práctica, los agregados contienen una cantidad mensurable de humedad. Las masas secas de los agregados, por lo tanto, se deben aumentar para compensar la humedad que se absorbe y que se retiene en la superficie de cada partícula y entre las partículas. El agua de mezcla que se adiciona se debe reducir por la cantidad de humedad libre de los agregados. Los ensayos indican que, para este ejemplo, el contenido de humedad del agregado grueso es 2% y del agregado fino es 6%. Con los contenidos de humedad (CH) indicados, las proporciones de agregados de la mezcla de prueba se vuelven: Agregado grueso (2% CH) = 1674 x 1.02 = 1707 lb Agregado fino (6% CH) = 1236 x 1.06 = 1310 lb El agua absorbida por los agregados no se torna parte del agua de la mezcla y se la debe excluir del ajuste de agua. La humedad superficial contribuida por el agregado grueso es 2% - 0.5% = 1.5%. La humedad contribuida por el agregado fino es 6% - 0.7% = 5.3%. El requisito estimado para el agua se vuelve:

Total

284.23 lb

El rendimiento de la mezcla de prueba es: 284.23 141.49

270 – (1674 x 0.015) – (1236 x 0.053) = 179 lb

El contenido de agua de mezcla se determina por el agua adicionada más el agua libre en los agregados y se calcula como sigue:

La masa de la mezcla estimada para una yarda cúbica se revisa para incluir la humedad de los agregados: Agua (a ser adicionada) Cemento Agregado grueso (2% de CH, húmedo) Agregado fino (6% de CH, húmedo)

179 lb 643 lb 1707 lb 1310 lb

Total

3839 lb

Aditivo inclusor de aire

Agua adicionada

5.8 onza fl

Mezcla de Prueba. En esta etapa, las masas estimadas se deben verificar a través de mezclas de pruebas o mezclas con el mismo volumen de la revoltura de obra. Se debe mezclar cantidad suficiente de concreto para los ensayos de revenimiento (asentamiento) y aire, para el moldeo de 3 cilindros para el ensayo de resistencia a compresión a los 28 días y vigas para ensayo a flexión, si necesario. Para la mezcla de prueba de laboratorio es conveniente la disminución del volumen para la producción de 2.0 pies3 o 2⁄ 27 yarda3 de concreto, como sigue: Agua 179 x 2 = 13.26 lb 27 Cemento 643 x 2 = 47.63 lb 27 Agregado grueso 1707 x 2 = 126.44 lb 27 (húmedo) Agregado fino 1310 x 2 = 97.04 lb 27 (húmedo) Total Aditivo inclusor de aire

5.8 x

= 13.12 lb

Agua libre en el agregado grueso

= 126.44 x 0.015** = 1.02*

Agua libre en el agregado fino Total

= 97.04 x 0.053** = 4.85 lb 1.06* = 19.83 lb

1.86 lb

El agua de mezcla necesaria para una yarda cúbica del concreto de un mismo revenimiento de la mezcla de prueba es: 19.83 x 27 2.009

= 267 lb

Ajustes de la Mezcla. El revenimiento de 4 pulg. de la mezcla de prueba no es aceptable (supera 3 pulg. en más de 0.75 pulg.), el rendimiento fue un poco elevado y el contenido de aire incluido de 8% también se presentó un poco alto (más de 0.5% que el máximo de 7%). Se debe ajustar el rendimiento y reestimar la dosis de aditivo inclusor de aire para el contenido de 7% y también ajustar el agua para el revenimiento de 3 pulg. es necesario aumentar el contenido de agua de mezcla en 5 lb para cada 1% de disminución de aire y se debe reducir 10 lb

284.37 lb 2 27

= 2.009 cu ft

* 1 + (2%CH/100) = 1.02 1 + (6%CH/100) = 1.06 ** (2% CH – 0.5% absorción) ÷ 100 = 0.015 (6% CH – 0.7% absorción) ÷ 100 = 0.053

= 0.43 onza fl 202


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal relativa (gravedad específica) del agregado pueden ocasionar diferencia entre la densidad calculada y la densidad medida a través de ASTM C 138 (AASHTO T 121), COVENIN 0349, IRAM 1562, NCh1564, NMX-C-162ONNCCE-2000, NTP 339.046 o UNIT-NM 56. Ocasionalmente, la proporción entre el agregado fino y grueso se mantiene constante al ajustarse la masa de la mezcla para que conserve la misma trabajabilidad u otras propiedades obtenidas en la primera mezcla de prueba. Después de ajustarse los materiales cementantes, el agua y el contenido de aire, el volumen restante para el agregado se proporciona adecuadamente entre los agregados fino y grueso. También se deben ensayar mezclas de prueba adicionales, con relaciones agua-cemento mayor y menor que 0.42, a fin de desarrollarse una curva de resistencia. A partir de esta curva, se puede proporcionar y ensayar una mezcla más económica, con la resistencia a compresión más cerca de la Â. La mezcla final probablemente se parecería a la mezcla anterior con el revenimiento entre 1 pulg. y 3 pulg. y un contenido de aire de 5% a 7%. La cantidad de aditivo inclusor de aire se debe ajustar para las condiciones de la obra, a fin de que se mantenga el contenido de aire especificado.

para cada 1 pulg. de reducción del revenimiento. El agua de mezcla ajustada para la reducción del revenimiento y del aire es: (5 x 1) –(10 x 1) + 267 = 262 lb de agua por yarda cúbica Como se necesita de menos agua de mezcla, también el contenido de cemento se disminuye para que la relación agua-cemento deseada de 0.42 se mantenga. El nuevo contenido de cemento es: 262 0.42

= 624 lb por yarda cúbica

La cantidad de agregado grueso permanece la misma, pues la trabajabilidad es satisfactoria. Las masas de la nueva mezcla ajustada, basadas en los nuevos contenidos de cemento y agua se calculan con los siguientes cálculos: Agua

=

262 1 x 62.4

=

4.20 pie3

Cemento

=

624 3.15 x 62.4

=

3.17 pie3

Agregado grueso (seco)

=

1674 2.68 x 62.4

= 10.01 pie3

Aire

=

7.0 100

x 27 =

1.89 pie3

Reductores de Agua. Los reductores de agua se usan para aumentar la trabajabilidad, sin la adición de agua, o para reducir la relación agua-cemento, a fin de mejorar la permeabilidad u otras propiedades. Usando la mezcla final del último ejemplo, asuma que el ingeniero de proyecto apruebe la utilización del aditivo reductor de agua para aumentar el revenimiento para 5 pulg., a fin de mejorar la trabajabilidad para la colocación en un área difícil. Asumiéndose que la dosis recomendada por el fabricante del aditivo reductor de agua sea 4 onzas por 100 lb de cemento para aumentar el revenimiento en 2 pulg., la cantidad de aditivo es: 624 x 4 = 25.0 onza por yarda cúbica 100 Puede ser necesaria la reducción de la cantidad de aditivo inclusor de aire (hasta 50%), pues muchos reductores de agua también incluyen aire. Si el reductor de agua ha sido usado para la reducción de la relación agua-cemento, también se necesita ajustar las cantidades de arena y agua.

= 19.27 pie3

Total Agregado fino

= 27 – 19.27

=

7.73 pie3

La masa necesaria de agregado fino seco es: 7.73 x 2.64 x 62.4 = 1273 lb La dosis de aditivo inclusor de aire necesaria para 7% de aire incluido es 0.8 onza fluida para 100 libras de cemento. Por lo tanto, la cantidad de aditivo inclusro de aire es: is: 0.8 x 624 = = 5.0 onza fluida 100 Las masas de la mezcla ajustada por yarda cúbica de concreto son: Agua 262 lb Cemento 624 lb Agregado grueso (seco) 1674 lb Agregado fino (seco) 1273 lb Total

3833 lb

Aditivo inclusor de aire Reductor de agua

5.0 onza fl 1230g o mL

Puzolanas y Escorias. Las puzolanas y escorias se adicionan, a veces, además del cemento o como reemplazo parcial del cemento, para mejorar la trabajabilidad y la resistencia a los sulfatos y la reactividad a los álcalis. Si se requieren puzolanas o escorias para la mezcla anterior, se las incluiría en el primer cálculo de volumen que se utilizó para la determinación del contenido de agregado fino. Por ejemplo: Asuma que 75 lb de ceniza volante con densidad relativa (gravedad específica) de 2.5 ha sido usada además del contenido original de cemento. El volumen de ceniza sería:

Densidad estimada del concreto (agregado en SSS): = =

[262 + 624 + (1674 x 1.005) + (1273 x 1.007)] 27 142.60 lb/pie3

Después de verificarse las proporciones ajustadas a través de un mezcla de prueba, se ha observado que el concreto presentó revenimiento, contenido de aire y rendimiento deseados. Los cilindros tuvieron un promedio de resistencia a compresión a los 28 días de 4900 lb/pulg2, que supera el ˘ de 4700 lb/pulg2. Las fluctuaciones del contenido de humedad, de la absorción y de la densidad

75 2.5 x 62.4 203

= 0.48 pie3


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 una mezcla de prueba. Entre todos los datos en los espacios blancos de la hoja de datos (Fig. 9-6).

La relación agua-material cementante sería: a = 270 = 0.38 por masa c+p 643 + 75 La relación agua y solamente cemento sería: a 270 = = 0.42 por masa c 643

Requisitos de Durabilidad. El pavimento será expuesto a congelación, deshielo y descongelantes y, por lo tanto, debe tener una relación agua-material cementante máxima de 0.45 (Tabla 9-1) y, por lo menos, 335 kg de cemento por metro cúbico de concreto.

El volumen de agregado fino se debe reducir en 0.48 pie3 para permitir la adición de ceniza. La cantidad y volumen de puzolana también se pudieron haber obtenido en conjunción con el primer cálculo del contenido de cemento, usando la relación aguamaterial cementante de 0.42 (o equivalente). Por ejemplo, asuma que se ha especificado 15% del material cementante es puzolana y a/mc o a/(c+p) Con a = 270 lb y c + p p = 643 x 15 100 y c = 643 – 96

Requisitos de Resistencia. Para una desviación estándar de 2.0 MPa, la  (resistencia a compresión necesaria para el proporcionamiento) debe ser mayor que  = ˘ + 1.34S = 35 + 1.34(2) = 37.7 MPa o  = ˘ + 2.33S = 35 + 2.33(2) – 3.45 = 36.2 MPa Por lo tanto, la resistencia a compresión media necesaria es 37.7 MPa.

= 0.42 = 643 lb,

Tamaño del Agregado. El agregado grueso con tamaño máximo de 19 mm y el agregado fino están en la condición saturada con superficie seca (SSS).

= 96 lb = 547 lb

Contenido de Aire. El contenido de aire deseado es 6% (Tabla 9-5) y el rango es del 5% al 8%.

Se deberían realizar los cálculos adecuados de las proporciones para éstos y otros ingredientes de la mezcla.

Revenimiento. El revenimiento especificado para este proyecto es 40 ± 20 mm.

Ejemplo 3. Mezclas de Prueba en Laboratorio Usando el Método PCA de la Relación Agua-Cemento (Métrico)

Cantidades de Mezcla. Por razones de conveniencia, se producirá una mezcla con 10 kg de cemento. La cantidad de agua de mezcla necesaria es 10 x 0.45 = 4.5 kg. Muestras representativas de los agregados fino y grueso se pesan en recipientes adecuados. Los valores se indican como masa inicial en la columna 2 de la hoja de datos (Fig. 9-6). Todas las cantidades medidas de cemento, agua y aditivo inclusor de aire se adicionan a la mezcladora. Los agregados fino y grueso se llevan a la condición SSS y se los añade hasta que se obtenga una mezcla trabajable con el revenimiento deseado. Las proporciones relativas de agregados fino y grueso se pueden fácilmente juzgar por un ingeniero o técnico con experiencia en concreto.

Con el método siguiente, el diseñador de la mezcla desarrolla las proporciones de la mezcla directamente de la mezcla de prueba y no a través del volumen absoluto de los constituyentes del concreto. Condiciones y Especificaciones. Se requiere el concreto para un pavimento de concreto sin refuerzo que se construirá en Dakota del Norte. La resistencia a compresión especificada es 35 MPa a los 28 días. La desviación estándar del productor es 20 kg/cm2 o 2.0 MPa. Están disponibles en la región el cemento ASTM tipo IP (cemento portland puzolánico) y un agregado de tamaño máximo nominal de 19 mm. Proporcione una mezcla de concreto para estas condiciones y verifíquela a través de

Trabajabilidad. Los resultados de los ensayos de revenimiento, contenido de aire, densidad y la descripción de la apariencia y de la trabajabilidad se registran en la hoja de datos y en la Tabla 9-13.

Tabla 9-13. Ejemplo de los Resultados de Mezclas de Prueba de Laboratorio (Métrica)*

Mezcla no.

Revenimiento, mm

Contenido de aire, %

Densidad, kg/m 3

Contenido de cemento, kg/m3

Agregado fino, porcentaje del total de agregados

Trabajabilidad

1 2 3 4

50 40 45 36

5.7 6.2 7.5 6.8

2341 2332 2313 2324

346 337 341 348

28.6 33.3 38.0 40.2

Áspera Regular Buena Buena

*Relación agua-cemento = 0.45.

204


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal mezcla (volumen) y la densidad (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico). Por ejemplo, la cantidad de kilogramos de cemento por metro cúbico se determina dividiéndose 1 metro cúbico por el volumen del concreto en la mezcla y multiplicándose el resultado por la cantidad de cemento empleada en la mezcla. El porcentaje de agregado fino en masa con relación al total de agregados también se calcula. En esta mezcla de prueba, el contenido de cemento fue 341 kg/m3 y el agregado fino constituyó 38% de la masa total de agregado. El contenido de aire y el revenimiento fueron aceptables. La resistencia a los 28 días fue 39.1 MPa, mayor que Â. La mezcla en la columna 5, juntamente con los límites de revenimiento y de contenido de aire, 40 ± 20 mm y 5% a 8%, respectivamente, están listos para que se los presente al ingeniero del proyecto.

Las cantidades de agregados fino y grueso que no se usaron, se registran en la hoja de datos en la Columna 3 y la masa de agregados usada (columna 2 menos columna 3) se registra en la columna 4. Si al realizarse el ensayo, el revenimiento hubiera sido mayor que aquél requerido, se habría añadido una cantidad adicional de agregado fino o grueso (o ambos) para reducir el revenimiento. Si al contrario, el revenimiento hubiera sido menor que aquél necesario, se habría adicionado agua y cemento en la proporción adecuada (0.45), para aumentar el revenimiento. Es importante que cualquier cantidad adicional sea medida con precisión y sea registrada en la hoja de datos. Proporciones de la Mezcla. Las proporciones de la mezcla para un metro cúbico de concreto se calculan en la columna 5 de la Figura 9-6, usando el rendimiento de la

Datos y Cálculos para la Mezcla de prueba (Agregados saturados con superficie seca) Tamaño de la amasada : 10 kg _________ 20 kg _________ 40 kg _________ de cemento Nota: Complete las Columnas de 1 hasta 4, llene los espacios abajo, entonces complete 5 y 6. 1

2 Masa Inicial, kg

Material

3 Masa Final, kg

10.0 4.5 37.6 44.1 10 ml

Cemento

Agua Agregado fino Agregado grueso Aditivo inclusor de aire

4 Masa usada, (Col. 2 menos Col. 3)

10.0

0 0 17.3 11.0

4.5 20.3 33.1 67.9

Total (T) =

T x C = 67.9 x 34.0648 =

45

Revenimiento medido: ___________________ mm

5 Masa por m3 No. de amasadas (C) x Col. 4

6

Observaciones

341 153 691 (a) 1128 (b) 2313 2313

% C.V.* = a x 100 a+b = 38%

Verificación

7.5

Contenido de aire medido ___________________ %

Apariencia:

Arenosa _____________ Buena _____________ Pedregosa _____________

Trabajabilidad:

Buena _____________

Razonable __________ Pobre _____________

42.7 8.0 = _________________________________ kg = _________________________________ kg 34.7 3 = _________________________________ m 0.015 A 2313 34.7/0.015 = ___ = ________________________ = ________________________

Masa del recipiente + concreto= _________________________________ kg Masa del recipiente Masa del concreto (A) Volumen del recipiente (B) Densidad del concreto (D)

Volumen de concreto producido

B

kg/m3

T Masa total de material por amasada = _______________________________ = ___ D Densidad

67.9/2313

0.0293558

= ________________________ = ________________________ m3

67.9

m3

1.0 1.0 Número de ________ kg por amasada m3 (C) = __________ = ______________ = _____________ amasadas Volumen

0.0293558

*Porcentaje de agregado fino en relación al total de agregados =

Fig. 9-6. Hoja de datos para la mezcla de prueba (métrico). 205

34.0648

Masa de agregado fino x 100 Masa total de agregado


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Relación Agua-Cemento. Para estas condiciones de exposición, la Tabla 9-2 indica que se debe utilizar una relación agua-cemento máxima de 0.50 y una resistencia a compresión mínima de 4000 lb/pulg2. La relación agua-cemento para la resistencia se elige del gráfico que enseña la relación entre resistencia a compresión y relación agua-cemento para estos materiales específicos (Fig. 9-7).

Ejemplo 4. Mezclas de Prueba en Laboratorio Usando el Método PCA de la Relación Agua-Cemento (Unidades Pulgada-Libra) Con el método siguiente, el diseñador de la mezcla desarrolla las proporciones de la mezcla directamente de la mezcla de prueba y no a través del volumen absoluto de los constituyentes del concreto, como en el ejemplo 2.

Para una desviación estándar de 300 lb/pulg2, Â debe ser mayor que:

Condiciones y Especificaciones. Se requiere un concreto con aire incorporado para un muro de cimentación que se expondrá al ataque moderado de sulfatos presentes en el suelo. La resistencia a compre-sión especificada, Â es 4000 lb/pulg2 a los 28 días, usando el cemento ASTM tipo II de moderada resistencia a los sulfatos. El espesor mínimo del muro es 10 pulg. y el recubrimiento de las varillas de acero de refuerzo es 3 pulg. La distancia libre entre las varillas de acero es 3 pulg. La relación agua-cemento versus resistencia a compresión basada en datos previos de campo y laboratorio para los mismos ingredientes se enseña en la Figura 9-7. Basada en los registros de los ensayos de los materiales que se van a utilizar, la desviación estándar es 300 lb/pulg2. Proporcione una mezcla de concreto para estas condiciones y verifíquela a través de una mezcla de prueba. Entre todos los datos en los espacios blancos de la hoja de datos (Fig. 9-8).

 = ˘ + 1.34S = 4000 + 1.34(300) = 4402 lb/pulg2 o  = ˘ + 2.33S - 500 = 4000 + 2.33(300) - 500 = 4199 lb/pulg2 Por lo tanto,  = 4400 lb/pulg2 De la Figura 9-7, la relación agua-cemento para el concreto con aire incluido es 0.55 para  = 4400 lb/pulg2. Esta relación es mayor que 0.50, permitida para las condiciones de exposición y, por lo tanto, las condiciones de exposición gobiernan. Se debe utilizar una relación agua-cemento de 0.50, a pesar de que se producirán resistencias más elevadas que aquéllas que satisfacen los requisitos estructurales. Tamaño del Agregado. Asúmase que el agregado con tamaño máximo de 11⁄2 pulg. es satisfactorio y está económicamente disponible. Es menor que 1⁄5 del espesor del muro y menor que 3⁄4 la distancia libre entre las varillas de refuerzo y entre las varillas de refuerzo y las cimbras (encofrado). Si este tamaño no estuviera disponible, si usaría el agregado con el tamaño inmediatamente inferior. Los agregados deben estar en la condición saturada con superficie seca para las mezclas de prueba.

Resistencia a compresión, lb/pulg2 6000

Contenido de Aire. Debido a las condiciones de exposición y para mejorar la trabajabilidad, se hace necesario un nivel moderado de aire incluido. De la Tabla 9-5, el contenido de aire necesario para el concreto con agregado de 11⁄2 pulg. en una exposición moderada es 4.5%. Por lo tanto, proporcione la mezcla con 4.5% ± 1% y tenga como objetivo 5.5 ± 0.5% en la mezcla de prueba.

5000 Concreto con aire incluido 4400 4000

Revenimiento. El revenimiento recomendado para la colocación en un muro de cimentación de concreto reforzado es de 1 a 3 pulg., asumiéndose que el concreto se consolidará a través de vibración (Tabla 9-6). Dosifique para 3 pulg. ± 0.75 pulg.

3000

2000 0.4

0.5

0.55

0.6

0.7

Cantidades de la Mezcla. Por razones de conveniencia, se producirá una mezcla con 20 lb de cemento. La cantidad de agua de mezcla necesaria es 20 x 0.50 = 10 lb. Muestras representativas del agregado fino y del agregado grueso se pesan en recipientes adecuados. Los valores se indican como masa inicial en la columna 2 de la hoja de datos (Fig. 9-8). Todas las cantidades medidas de cemento, agua y aditivo inclusor de aire se adicionan a la mezcladora. Los agregados fino y grueso se llevan a la condición SSS y se los añade en proporciones similares a aquéllas de las mez-

0.8

Relación agua-cemento

Fig. 9-7. Relación entre resistencia y relación agua-cemento basado en datos de obra y de laboratorio para ingredientes específicos del concreto.

206


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal clas de la Figura 9-7. El mezclado continúa hasta que se obtenga un concreto trabajable con 3 pulgadas de revenimiento. Las proporciones relativas de agregados fino y grueso adecuadas para la trabajabilidad deseada, se pueden fácilmente juzgar por un ingeniero o técnico con experiencia en concreto.

Trabajabilidad. Los resultados de los ensayos de revenimiento, contenido de aire, densidad y la descripción de la apariencia y de la trabajabilidad (por ejemplo “Buena”) se registran en la hoja de datos y en la Tabla 9-14. Las cantidades de agregados fino y grueso que no se usaron, se registran en la hoja de datos en la Columna 3 y

Datos y Cálculos para la Mezcla de prueba (Agregados saturados con superficie seca) Tamaño de la amasada : 10 lb _________ 20 lb _________ 40 lb _________ de cemento Nota: Complete las Columnas de 1 hasta 4, llene los espacios abajo, entonces complete 5 y 6. 1

2 Masa Inicial, kg

Material

3 Masa Final, kg

4 Masa usada, (Col. 2 menos Col. 3)

5 Masa por m3 No. de amasadas (C) x Col. 4

20.0 20.0 0 10.0 0 10.0 38.3 66.2 27.9 13.8 89.8 76.0 0.3oz 144.3

Cemento

Agua Agregado fino Agregado grueso

Aditivo inclusor de aire

539 269 1032 2048 3888

Total (T) =

TxC=

3

144.3

Revenimiento medido: ___________________ mm

x

26.943

=

(a) (b)

6

Observaciones

% agregado fino a a+b = %

33.5

3888

Verificación

5.4

Contenido de aire medido ___________________ %

Apariencia:

Arenosa _____________ Buena _____________ Pedregosa _____________

Trabajabilidad:

Buena _____________

Razonable __________ Pobre _____________

93.4 21.4 _________________________________ lb 72.0 _________________________________ lb _________________________________ cu ft 0.50 72.0 A ___ 144.0 = ____________________ = ____________________ B 0.50

Masa del recipiente + concreto = _________________________________ lb Masa del recipiente

=

Masa del concreto (A)

=

Volumen del recipiente (B)

=

Densidad del concreto (D)

=

lb/pie3

Masa total de material por amasada Rendimiento (Volumen de concreto producido) = _______________________________ Densidad del concreto

144.3 144.0

1.0021

= ______________________ = __________________ lb/pie3 27 27 pie3* Número de ________ lb por amasada por yd3 (C) = ____________ = __________ = ____________ batches Rendimiento

144.3

1.0021

*Una yarda tiene 27 pie3

26.943

Fig. 9-8. Hoja de datos para la mezcla de prueba (unidades pulgada-libra).

Tabla 9-14. Ejemplo de Resultados de Mezclas de Prueba de Laboratorio (Unidades Pulgadas-Libras)*

Mezcla no.

Revenimiento, mm

Contenido de aire, %

Densidad, lb/pie3

Contenido de cemento, lb/yarda3

Agregado fino, porcentaje del total de agregados

Trabajabilidad

1 2 3 4

3 23⁄4 21⁄2 3

5.4 4.9 5.1 4.7

144 144 144 145

539 555 549 540

33.5 27.4 35.5 30.5

Buena Áspera Excelente Excelente

*Relación agua-cemento = 0.50.

207


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

la masa de agregados usada (columna 2 menos columna 3) se registra en la columna 4. Si al realizarse el ensayo, el revenimiento hubiera sido mayor que aquél requerido, se habría añadido una cantidad adicional de agregado fino o grueso (o ambos) para reducir el revenimiento. Si al contrario, el revenimiento hubiera sido menor que aquél necesario, se habría adicionado agua y cemento en la proporción adecuada (0.50), para aumentar el revenimiento. Es importante que cualquier cantidad adicional sea medida con precisión y sea registrada en la hoja de datos.

columna 5 de la Figura 9-8, usando el rendimiento de la mezcla (volumen) y la densidad (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico). Por ejemplo, la cantidad de libras de cemento por yarda cúbica se determina dividiéndose 27 pies cúbicos (1 yarda cúbica) por el volumen del concreto en la mezcla y multiplicándose el resultado por la cantidad de cemento empleada en la mezcla. El porcentaje de agregado fino en masa con relación al total de agregados también se calcula. En esta mezcla de prueba, el contenido de cemento fue 539 lb/yd3 y el agregado fino constituyó 33.5% de la masa total de agregado. El contenido de aire y el revenimiento fueron

Proporciones de la Mezcla. Las proporciones de la mezcla para una yarda cúbica de concreto se calculan en la

Tabla 9-15 (Métrica). Ejemplo de Mezclas de Prueba para el Concreto con Aire Incluido de Consistencia Media, Revenimiento de 75 mm a 100 mm

Tamaño Relación máximo aguanominal cemento, del kg agregado, por kg mm 0.40 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.45 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.50 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.55 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.60 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.65 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 0.70 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5

Contenido de aire, % 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5

Agua, kg por m3 de concreto 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158 202 194 178 169 158

Cemento, kg por m3 de concreto 505 485 446 424 395 450 387 395 377 351 406 387 357 338 315 369 351 324 309 286 336 321 298 282 262 312 298 274 261 244 288 277 256 240 226

Con arena fina, Con arena gruesa, módulo de finura = 2.50 módulo de finura = 2.90 Agregado Agregado fino, % con Agregado Agregado fino, % con Agregado Agregado relación fino, grueso, relación fino, grueso, a la masa kg por kg por a la masa kg por kg por total de m3 de m3 de total de m3 de m3 de agregado concreto concreto agregado concreto concreto 50 744 750 54 809 684 41 630 904 46 702 833 35 577 1071 39 648 1000 32 534 1151 36 599 1086 29 518 1255 33 589 1184 51 791 750 56 858 684 43 678 904 47 750 833 37 619 1071 41 690 1000 33 576 1151 37 641 1086 31 553 1225 35 625 1184 53 833 750 57 898 684 44 714 904 49 785 833 38 654 1071 42 726 1000 34 605 1151 38 670 1086 32 583 1225 36 654 1184 54 862 750 58 928 684 45 744 904 49 815 833 39 678 1071 43 750 1000 35 629 1151 39 694 1086 33 613 1225 37 684 1184 54 886 750 58 952 684 46 768 904 50 839 833 40 702 1071 44 773 1000 36 653 1151 40 718 1086 33 631 1225 37 702 1184 55 910 750 59 976 684 47 791 904 51 863 833 40 720 1071 44 791 1000 37 670 1151 40 736 1086 34 649 1225 38 720 1184 55 928 750 59 994 684 47 809 904 51 880 833 41 738 1071 45 809 1000 37 688 1151 41 753 1086 34 660 1225 38 732 1184

208


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal aceptables. La resistencia a los 28 días fue 4950 lb/pulg2, mayor que Â. La mezcla en la columna 5, juntamente con los límites de revenimiento y de contenido de aire, 1 a 3 pulg. y 3.5% a 5.5%, respectivamente, están listos para que se los presente al ingeniero del proyecto.

resultados de cuatro de estas mezclas se resumen en la Tabla 9-14. La Tabla 9-15 ilustra los cambios en las proporciones de la mezcla para varios tipos de mezclas de concreto, usando una fuente particular de agregado. La información para mezclas de concreto usando ingredientes particulares se pueden trazar de varias maneras, a fin de ilustrarse la relación entre los ingredientes y las propiedades. Esto es especialmente útil para la optimización de las mezclas para que se obtenga una mayor economía o para su ajuste de acuerdo con las especificaciones o cambios de materiales (Fig. 9-9).

Ajustes de la Mezcla. Para que se determinen las proporciones que resultan en mezclas más trabajables y económicas, se pueden producir otras mezclas de prueba, variándose el porcentaje de agregado fino. En cada una de las mezclas de prueba, la relación agua-cemento, la granulometría del agregado, el contenido de aire y el revenimiento se deben mantener cerca de los mismos. Los

Tabla 9-15 (Unidades Pulgadas-libras). Ejemplo de Mezclas de Prueba para el Concreto con Aire Incluido de Consistencia Media, revenimiento de 3 pulg. a 4 pulg.

Relación aguacemento lb por lb 0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

Tamaño máximo nominal del agregado, plug. 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2

Contenido de aire, % 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5 7.5 7.5 6 6 5

Con arena fina, Con arena gruesa, módulo de finura = 2.50 módulo de finura = 2.90 Agregado Agregado fino, % con Agregado Agregado fino, % con Agregado Agregado Agua, lb Cemento, lb relación fino, lb grueso, lb relación fino, lb grueso, lb por yarda por yarda a la masa por yarda por yarda a la masa por yarda por yarda cúbica de cúbica de total de cúbica de cúbica de total de cúbica de cúbica de concreto concreto agregado concreto concreto agregado concreto concreto 340 850 50 1250 1260 54 1360 1150 325 815 41 1060 1520 46 1180 1400 300 750 35 970 1800 39 1090 1680 285 715 32 900 1940 36 1010 1830 265 665 29 870 2110 33 990 1990 340 755 51 1330 1260 56 1440 1150 325 720 43 1140 1520 47 1260 1400 300 665 37 1040 1800 41 1160 1680 285 635 33 970 1940 37 1080 1830 265 590 31 930 2110 35 1050 1990 340 680 53 1400 1260 57 1510 1150 325 650 44 1200 1520 49 1320 1400 300 600 38 1100 1800 42 1220 1680 285 570 34 1020 1940 38 1130 1830 265 530 32 980 2110 36 1100 1990 340 620 54 1450 1260 58 1560 1150 325 590 45 1250 1520 49 1370 1400 300 545 39 1140 1800 43 1260 1680 285 520 35 1060 1940 39 1170 1830 265 480 33 1030 2110 37 1150 1990 340 565 54 1490 1260 58 1600 1150 325 540 46 1290 1520 50 1410 1400 300 500 40 1180 1800 44 1300 1680 285 475 36 1100 1940 40 1210 1830 265 440 33 1060 2110 37 1180 1990 340 525 55 1530 1260 59 1640 1150 325 500 47 1330 1520 51 1450 1400 300 460 40 1210 1800 44 1330 1680 285 440 37 1130 1940 40 1240 1830 265 410 34 1090 2110 38 1210 1990 340 485 55 1560 1260 59 1670 1150 325 465 47 1360 1520 51 1480 1400 300 430 41 1240 1800 45 1360 1680 285 405 37 1160 1940 41 1270 1830 265 380 34 1110 2110 38 1230 1990

209


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Contenido de agua, lb/yd3

240

260

280

300

320

340

360

380 1000

550

900

= a/c

450

0.40

800 0.45

700

0.50

400

0.55 0.60

350

600

0.65 0.70

300

500

250

Contenido de cemento, lb/yd3

Contenido de cemento, kg/m3

500

400

200 300 150

( 3/8 9.5 mm

/4 pu

pulg .)

19 m m (3

5 4

75

3

50

2

25

1

Concreto con aire incluido

0 150

160

170

180

190

200

210

220

Revenimiento, pulg.

100

25 m m (1

125

pu lg.)

6

12. 5m m (1 /2 p ulg .)

150

lg.)

7

m (1 1 /2 pu lg.)

175

50 m m( 2 pu 37.5 lg.) m

Revenimiento, mm

Tamaño máximo nominal del agregado, mm (pulg.)

230

0

Contenido de agua, kg/m3

Fig. 9-9. Ejemplo gráfico de la relación entre revenimiento, tamaño del agregado, relación agua-cemento y contenido de cemento para una fuente específica de agregado (Hover 1995).

puente que se expondrá a congelación y deshielo, descongelantes y suelos con sulfatos muy severos. Se requiere un valor de Coulomb que no exceda 1500 para minimizar la permeabilidad a los cloruros. Se permite el uso de reductores de agua, inclusores de aire y plastificantes. Se hace necesario el empleo de un aditivo reductor de contracción para que la retracción no ultrapase 300 millonésimos. Algunos elementos estructurales tienen un espesor que excede 1 metro, requiriendo el control del desarrollo de calor de hidratación. El productor de concreto tiene una

Ejemplo 5. Método del Volumen Absoluto Usando Varios Materiales Cementantes Y Aditivos (Métrico) El próximo ejemplo ilustra como desarrollar una mezcla usando el método del volumen absoluto cuando se utilizan más de un material cementante y de un aditivo. Condiciones y Especificaciones. Se requiere un concreto con resistencia de diseño de 400 kg/cm2 para un 210


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal desviación estándar de 20 kg/cm2 para mezclas similares a ésta. En áreas de difícil colocación, se requiere un revenimiento de 200 a 250 mm. Están disponibles los siguientes materiales:

o

Cemento:

Tipo HS (alta resistencia a sulfatos) modificado con humo de sílice (ASTM C 1157). Densidad relativa de 3.14. Contenido de humo de sílice 5%.

Ceniza Volante:

Clase F, ASTM C 618 (AASHTO M 295). Densidad relativa de 2.60.

Escoria:

Grado 120, ASTM C 989 (AASHTO M 302). Densidad relativa de 2.90.

Relación Agua-Material Cementante. Los registros de campo del pasado usando estos materiales indican que se requiere una relación agua-material cementante de 0.35 para que se obtenga una resistencia de 427 kg/cm2. Para un ambiente sujeto a descongelantes y para evitarse la corrosión el acero del refuerzo, la Tabla 9-1 requiere una relación agua-material cementante máxima de 0.40 y una resistencia de, por lo menos, 350 kg/cm2 o 35 MPa. Para un ambiente severo con sulfatos, la Tabla 9-2 requiere una relación agua-material cementante máxima de 0.40 y una resistencia de, por lo menos, 360 kg/cm2. Ambos requisitos para la relación agua-material cementante y para la resistencia se cumplen y se superan con el uso de la relación agua-material cementante de 0.35 y la resistencia de diseño de 400 kg/cm2 o 40 MPa.

 = 0.90 ˘ + 2.33S = 0.90 (400) + 2.33(20) = 407 kg/cm2, Por lo tanto,  = 427 kg/cm2

Agregado grueso: Bien graduado con tamaño máximo nominal de 19 mm (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82, UNIT 84) con densidad relativa seca en el horno de 2.68, absorción de 0.5% (contenido de humedad en la condición SSS) y densidad seca en el horno varillada (masa unitaria, peso volumétrico) de 1600 kg/m3. La muestra de laboratorio para las mezclas de prueba tenía una humedad de 2%. Este agregado tiene una historia de reactividad álcali-sílice en el campo. Agregado fino:

Aditivo inclusor de aire:

Contenido de Aire. Para la exposición severa, la Figura 9-4 sugiere un contenido de aire de 6% para el agregado de 19 mm. Por lo tanto, se debe diseñar la mezcla para un contenido de aire de 5% a 8% y se debe usar 8% para el proporcionamiento de la mezcla. La mezcla de prueba debe estar dentro de ± 0.5% del contenido máximo permitido. Revenimiento. Asuma un revenimiento de 50 mm sin aditivo plastificante y un máximo de 200 a 250 mm después de su adición. Se debe usar 250 ± 20 mm para el proporcionamiento.

Arena natural con algunas partículas trituradas (ASTM C 33 o AASHTO M 80, NCh163, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NMX-C-111, NTC 174, NTP 400.037, UNIT 82, UNIT 84), densidad relativa seca en el horno de 2.64, absorción de 0.7%. La muestra de laboratorio para las mezclas de prueba tenía una humedad de 6%. El módulo de finura es 2.80.

Contenido de Agua. La Figura 9-5 recomienda que para un revenimiento de 50 mm, un concreto con aire incluido y agregado de 19 mm debe tener un contenido de agua de aproximadamente 168 kg/m3. Asuma que el reductor de agua con retardador y el plastificante, en conjunto, reducirán la demanda de agua en 15%. En este caso, resulta una demanda de agua de 143 kg/m3, para que se logre un revenimiento de 250 mm.

Sintético (ASTM C 260 o AASHTO M 154).

Contenido de Material Cementante. La cantidad de material cementante se basa en la relación agua-material cementante máxima y en el contenido de agua. Por lo tanto, 143 kg de agua divididos por la relación agua-material cementante de 0.35, requieren un contenido de cemento de 409 kg. Se utilizarán ceniza volante y escoria para ayudar en el control de la reacción álcali-sílice y para controlar el aumento de la temperatura. El uso en la región, muestra que una dosis de 15% de ceniza volante y 30% de escoria (en masa de material cementante) es adecuada. Por lo tanto, se sugiere el uso de las siguientes cantidades de material cementante para un metro cúbico de concreto: Cemento: 55% de 409 = 225 kg Ceniza volante: 15% de 409 = 61 kg Escoria: 30% de 409 = 123 kg

Reductor de agua Tipo D ASTM C 494 (AASHTO M 194). con retardador: Es de conocimiento que este aditivo reduce la demanda de agua en 10%, cuando se usa una dosis de 3g por kg de material cementante. Plastificante:

Tipo 1 ASTM C 1017. Dosis de 30g por kg de material cementante.

Reductor de contracción:

Dosis de 15 g por kg de material cementante.

Resistencia. Para una desviación estándar de 20 kg/cm2, Â debe ser mayor que: Â = ˘ + 1.34S = 400 + 1.34(20) = 427 kg/cm2 211


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Estas dosis cumplen con los requisitos de la Tabla 9-8 (2.8% de humo de sílice del cemento + 15% de ceniza volante + 30% de escoria = 47.8%, inferior al máximo permitido de 50%).

Agregado grueso

=

Volumen total de los ingredientes

= 0.733 m3

1 - 0.733 = 0.267 m3 La masa seca del agregado fino es: 0.267 x 2.64 x 997.75 = 703 kg Los volúmenes de los aditivos son: Inclusor de aire

=

0.205 (1.0 x 997.75)

= 0.0002 m3

Reductor de agua

=

1.227 (1.0 x 997.75)

= 0.0012 m3

Plastificantes

=

12.270 (1.0 x 997.75)

= 0.0123 m3

Reductor de contracción

=

6.135 (1.0 x 997.75)

= 0.0062 m3

1600 x 0.62 = 992 kg/m3. Contenido de Aditivo. Para un contenido de aire de 8%, el fabricante del aditivo inclusor de aire recomienda una dosis de 0.5 g por kg de material cementante. La cantidad del aditivo inclusor de aire es: 0.5 x 409 = 205 g = 0.205 kg La dosis de aditivo reductor de agua con retardador es 3g por kg de material cementante, resultando en:

Total = 19.84 kg de aditivos con un volumen de 0.0199 m3. Considere los aditivos como parte del agua de mezcla

3 x 409 = 1227 g o 1.227 kg de reductor de agua por metro cúbico de concreto.

Agua de mezcla menos los aditivos = 143 – 19.84 = 123 kg La mezcla entonces tiene las siguientes proporciones, antes de la mezcla de prueba con un metro cúbico de concreto: Agua 123 kg Cemento 225 kg Ceniza volante 61 kg Escoria 123 kg Agregado grueso (seco) 992 kg

La dosis del aditivo plastificante es 30 g por kg de material cementante, resultando en: 30 x 409 = 12,270 g o 12.27 kg de reductor de agua por metro cúbico de concreto. La dosis de reductor de contracción es 15 g por kg de material cementante, resultando en: 15 x 409 = 6135 g o 6.135 kg de reductor de agua por metro cúbico de concreto. Contenido de Agregado Fino. En este punto, las cantidades de los ingredientes, a excepción del agregado fino, se conocen. El volumen del agregado fino se determina sustrayendo, de un metro cúbico, los volúmenes absolutos de los ingredientes conocidos. El volumen absoluto de los ingredientes se calcula dividiéndose la masa conocida de cada uno de ellos por el producto de su densidad relativa y la densidad del agua. Asuma una densidad relativa de 1.0 para los aditivos. Asuma la densidad del agua de 997.75 kg/m3, pues todos los materiales en el laboratorio se mantienen a una temperatura de 22°C (Tabla 9-12). Los cálculos del volumen son como sigue:ws: =

143 1.0 x 997.75

= 0.143 m3

Cemento

=

225 3.14 x 997.75

= 0.072

m3

Ceniza volante

=

61 2.60 x 997.75

= 0.024

m3

Escoria

=

123 2.90 x 997.75

= 0.043 m3

Aire

=

8.0 100

= 0.080 m3

= 0.371 m3

El volumen absoluto calculado del agregado fino es

Contenido de Agregado Grueso. La cantidad de agregado con tamaño máximo nominal de 19 mm se puede estimar de la Figura 9-3. El volumen de agregado grueso recomendado cuando se usa una arena con módulo de finura de 2.80 es 0.62. Como el agregado tiene una densidad seca en el horno varillada (masa unitaria, peso volumétrico) de 1600 kg/m3, la masa del agregado seco en el horno para un metro cúbico de concreto es:

Agua

992 2.68 x 997.75

Agregado fino (seco) Inclusor de aire Reductor de agua Plastificante

703 kg 0.205 kg 1.227 kg 12.27 kg

Reductor de contracción

6.135 kg

Masa total

2247 kg

Revenimiento 250 mm (± 20 mm para la mezcla de prueba) Contenido de aire 8% (± 0.5% para la mezcla de prueba) Densidad estimada del concreto (usando agregado SSS) = 123 + 225 + 61 + 123 + (992x 1.005) + (703 x 1.007) + 20 (aditivos) = 2257 kg/m3 Humedad. Las masas secas de los agregados se deben aumentar para compensar la humedad en y sobre los agregados y el agua de mezcla que se adiciona se debe reducir adecuadamente. El contenido de humedad del agregado grueso es 2% y del agregado fino es 6%. Con los contenidos de humedad indicados, las proporciones de la mezcla de prueba se vuelven: 212


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal Agregado grueso (2% CH) = 992 x 1.02 = 1012 kg Agregado fino (6% CH)

Agua adicionada

123 kg (total de 143 kg, incluyendo los aditivos) 225 kg 61 kg 123 kg 992 kg (seco en el horno) 997 kg (SSS) 703 kg (seco en el horno) 708 kg (SSS) 0.205 kg 1.227 kg

= 703 x 1.06 = 745 kg Cemento Ceniza volante Escoria Agregado grueso

El agua absorbida por los agregados no se torna parte del agua de la mezcla y se la debe excluir del ajuste de agua. La humedad superficial contribuida por el agregado grueso es 2% - 0.5% = 1.5%. La humedad contribuida por el agregado fino es 6% - 0.7% = 5.3%. El requisito estimado para el agua se vuelve:

Agregado fino

123 – (992 x 0.015) – (703 x 0.053) = 71 kg Inclusor de aire Reductor de agua

La masa de la mezcla estimada para un metro cúbico se revisa para incluir la humedad de los agregados: Agua 71 kg Cemento 225 kg Ceniza volante 61 kg Escoria 123 kg Agregado grueso (seco) 1012 kg Agregado fino (seco) 745 kg Inclusor de aire 0.205 kg Reductor de agua 1.227 kg Plastificante 12.27 kg Reductor de contracción 6.14 kg

Plastificante

12.27 kg

Reductor de contracción

6.14 kg

Revenimiento

200 a 250 mm

Contenido de aire

5% a 8%

Densidad (agreg. en SSS)

Mezcla de Prueba. La mezcla se ensayó en una revoltura de 0.1 m3 de concreto en el laboratorio (se multiplicaron las cantidades anteriores por 0.1 para obtenerse las cantidades de la revoltura). La mezcla presentó un contenido de aire de 7.8%, un revenimiento de 240 mm, una densidad de 2257 kg/m3, un rendimiento de 0.1 m3 y una resistencia a compresión de 440 kg/cm2. Los ensayos rápidos de penetración de cloruro resultaron en 990 Coulombs (ASTM C 1202 o AASHTO T 277). Se usó una versión modificada del la ASTM C 1260 para evaluar el potencial de reactividad álcali-sílice de la mezcla, resultando en una expansión aceptable de 0.02%. El aumento de temperatura fue aceptable y la contracción se encontró dentro de las especificaciones. El contenido de cloruros solubles en agua fue 0.06%, respetando los requisitos de la Tabla 9-9. Las siguientes proporciones de la mezcla obedecen todos los requisitos aplicables y están listas para que se sometan a la aprobación del ingeniero del proyecto:

2257 kg /m3

Rendimiento

1 m3

Relación aguamaterial cementante

0.35

* Las dosis de los aditivos líquidos frecuentemente se presentan en litros o mililitros en los documentos de proporción.

CONCRETO PARA PEQUEÑAS OBRAS A pesar de que la mayoría de las construcciones usa concretos premezclados muy bien determinados, ni siempre el concreto premezclado (preparado, industrializado, elaborado) es práctico para pequeñas obras, especialmente en aquéllas que requieren un metro cúbico (una yarda) o menos. En este caso, se requieren que se mezclen pequeñas cantidades de concreto en la obra. Si las proporciones o las especificaciones de la mezcla no están disponibles, se pueden utilizar las Tablas 9-16 y 9-17 para la elección de las proporciones para obras pequeñas. Las recomendaciones deben respetar las condi-

Tabla 9-16 (Métrica). Proporciones en Masa para Producirse la Décima Parte de Un Metro Cúbico de Concreto para Pequeñas Obras Tamaño máximo nominal del agregado, mm 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5

Concreto con aire incluido Cemento, kg 46 43 40 38 37

Agregado fino húmedo, kg 85 74 67 62 61

Agregado grueso húmedo, kg* 74 88 104 112 120

Concreto sin aire incluido Agua, kg 16 16 16 15 14

Cemento, kg 46 43 40 38 37

Agregado fino húmedo, kg 94 85 75 72 69

* Si se usa piedra triturada, disminuya 5 kg del agregado grueso y aumente 5 kg del agregado fino.

213

Agregado grueso húmedo, kg 74 88 104 112 120

Agua, kg 18 18 16 15 14


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 9-16 (Pulgadas-Libras). Proporciones en Masa para Producirse Un Pie Cúbico de Concreto para Pequeñas Obras Concreto con aire incluido Tamaño máximo nominal del agregado, pulg. 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2

Cemento, lb 29 27 25 24 23

Agregado fino húmedo, lb 53 46 42 39 38

Agregado grueso húmedo, lb* 46 55 65 70 75

Concreto sin aire incluido

Agua, lb 10 10 10 9 9

Cemento, lb 29 27 25 24 23

Agregado fino húmedo, lb 59 53 47 45 43

Agregado grueso húmedo, lb 46 55 65 70 75

Agua, lb 11 11 10 10 9

* Si se usa piedra triturada, disminuya 3 lb del agregado grueso y aumente 3 lb del agregado fino.

Tabla 9-17. Proporciones en Volumen* de Concreto para Pequeñas Obras Tamaño máximo nominal del agregado, pulg. 3 ⁄8 1 ⁄2 3 ⁄4 1 11⁄2

Concreto con aire incluido

Cemento 1 1 1 1 1

Agregado fino húmedo 21⁄4 21⁄4 21⁄4 21⁄4 21⁄4

Agregado grueso húmedo 11⁄ 2 2 21⁄ 2 23⁄4 3

Concreto sin aire incluido

Agua 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2

Cemento 1 1 1 1 1

Agregado fino húmedo 21⁄ 2 21⁄ 2 21⁄ 2 21⁄ 2 21⁄ 2

Agregado grueso húmedo 11⁄ 2 2 21⁄ 2 23⁄4 3

Agua 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2 1 ⁄2

* El volumen combinado es aproximadamente 2/3 de la suma de los volúmenes originales.

mezclas de prueba en el laboratorio. Normalmente, se hace necesario un ajuste, en la obra, de la mezcla de prueba elegida. El diseño de la mezcla y los procedimientos de proporcionamiento aquí presentados y resumidos en la Figura 9-10, se aplican al concreto de peso normal. Para concretos que requieren propiedades especiales, que usen aditivos o materiales especiales — por ejemplo, agregados ligeros –principios diferentes de proporcionamiento pueden estar involucrados. Sitios de la internet también proporcionan asistencia en el diseño y proporcionamiento de mezclas de concreto (Bentz 2001). Muchos de estos sitios se orientan internacionalmente y asumen principios que no se usan en todos los países. Por lo tanto, se debe tener cuidado al utilizar la internet para el diseño de la mezcla, para que haya compatibilidad con los principios de su país.

ciones de exposición, discutidas anteriormente en este capítulo. Las proporciones de las Tablas 9-16 y 9-17 son solamente una guía y son necesarios ajustes para la obtención de una mezcla trabajable con los agregados disponibles en el local (PCA 1988). También están disponibles, en algunas regiones, ingredientes para concreto secos, empacados y combinados (ASTM C 387).

REVISIÓN DEL DISEÑO En la práctica, las proporciones del concreto se gobiernan por los límites de los datos disponibles sobre las propiedades de los materiales, grado de control realizado en la producción del concreto en la planta y la cantidad de supervisión en la obra. No se debe esperar que los resultados de campo sean exactamente iguales a los de las

214


Capítulo 9 ◆ Diseño y Proporcionamiento de Mezclas de Concreto Normal

La planta de producción de concreto tiene registros de campo de los ensayos de resistencia para la clase de concreto especificado dentro de 70 kg/cm2 o 7 MPa (1000 lb/pulg.2) de la clase especificada. No Sí > 30 ensayos consecutivos Sí

Dos grupos de ensayos consecutivos (total 30)

No

Calcular S

No

15 a 29 ensayos consecutivos Sí

No

(Sin datos para S)

Calcular y aumentar, usando Tabla 9-10

Calcular promedio de S

Resistencia promedio requerida de la Ec. (9-1), (9-2), o (9-3)

Resistencia promedio requerida de la Tabla 9-11

Está disponible registro de campo de, por lo menos, diez resultados consecutivos, usando materiales similares y bajo condiciones similares

o

Realice mezclas de prueba usando, por lo menos, tres relaciones a/mc diferentes o diferentes contenidos de materiales cementantes

No Sí Resultados representan una mezcla

No

Resultados representan dos o más mezclas

Haga un gráfico de resistencia contra proporciones y interpole para la resistencia promedio requerida

Sí Promedio > promedio requerido

Haga un gráfico de resistencia contra proporciones y interpole para la resistencia promedio requerida

No Sí

Presentar propuesta para aprobación

Fig. 9-10. Diagrama de flujo para la elección y documentación de las proporciones del concreto.

215


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-02, and Commentary (Requisitos del Código de Edificios para el Concreto Estructural y Comentarios), ACI 318R-02, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2002.

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ACI Committee 357, Guide for the Design and Construction of Fixed Offshore Concrete Structures (Guía para el Diseño y la Construcción de Estructuras de Plataformas de Concreto Fijas), ACI 357R-84, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1984.

ACI Committee 211, Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight and Mass Concrete (Prácticas Estándares para la Elección de las Proporciones de los Concretos Normal, Pesado y Masivo), ACI 211.1-91, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1991.

Bentz, Dale, Concrete Optimization Software Tool (Programa para la Optimización del Concreto), http://ciks.cbt.nist.gov/ bentz/fhwa, National Institute of Standards and Technology, 2001.

ACI Committee 211, Guide for Selecting Proportions for High-Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash (Guía de Elección de las Proporciones para el Concreto de Alta resistencia con Cemento Portland y Ceniza Volante), ACI 211.4R-93, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1993.

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ACI Committee 211, Guide for Submittal of Concrete Proportions (Guía de Sometimiento de las Proporciones del Concreto), ACI 211.5R-96, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1996.

Hover, Kenneth C., “Concrete Design: Part 1, Finding Your Perfect Mix (Diseño del Concreto: Parte 1, Encuentro de la Mezcla Perfecta),” http://www.cenews.com/edconc 0998.html, CE News, Septiembre 1998.

ACI Committee 211, Guide for Selecting Proportions for NoSlump Concrete (Guía de Elección de las Proporciones para el Concreto con Revenimiento Cero), ACI 211.3R-97, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1997.

Hover, Kenneth C., “Concrete Design: Part 2, Proportioning Water, Cement, and Air (Diseño del Concreto: Parte 2, Proporcionamiento del Agua, del Cemento y del Aire),” http://www.cenews.com/edconc 1098.html, CE News, Octubre 1998.

ACI Committee 211, Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (Guía de Elección de las Proporciones para el Concreto Estructural Ligero), ACI 211.2-98, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1998.

Hover, Kenneth C., “Concrete Design: Part 3, Proportioning Aggregate to Finish the Process (Diseño del Concreto: Parte 3, Proporcionamiento del Agregado para Completar el Proceso),” http://www. enews.com/edconc1198.html, CE News, Noviembre 1998.

ACI Committee 214, Recommended Practice for Evaluation of Strength Test Results of Concrete (Práctica Recomendada para la Evaluación de los Resultados de los Ensayos de Compresión del Concreto), ACI 214-77, reaprobado en 1997, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1977.

PCA, Concrete for Small Jobs (Concreto para Pequeñas Obras), IS174, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/IS174.pdf, 1988.

ACI Committee 301, Specifications for Structural Concrete (Especificaciones para el Concreto Estructural), ACI 301-99, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1999.

Shilstone, James M., Sr., “Concrete Mixture Optimization (Optimización de Mezclas de Concreto),” Concrete International, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, Junio 1990, páginas 33 a 39.

ACI Committee 302, Guide for Concrete Floor and Slab Construction (Guía para la Construcción de Pisos y Losas de Concreto), ACI 302.1R-96, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1996.

216


Capítulo 10

Dosificación, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto 6. 7. 8. 9.

La especificación, producción y entrega del concreto se hacen de diversas maneras. Aquí se van a explicar los procesos básicos y las técnicas comunes. Las normas ASTM C 94, IRAM 1666, Nch 1934, NTC 3318 y NTP 339.114 fornecen especificaciones de norma para la producción y entrega del concreto fresco. Las normas de la Oficina de los Productores de Plantas de Concreto, la Oficina de los Productores de Camiones Mezcladores y la Oficina de los Productores de Mezcladores Volumétricos se encuentran en el sitio de la internet de la Asociación de Concreto Premezclado Norteamericana (NRMCA – National Ready Mixed Concrete Association) http://www.nrmca.org. También se puede encontrar un manual de concreto premezclado (hormigón elaborado, concreto preparado) que sigue las recomendaciones de las normas argentinas en el sitio www.hormigonelaborado.com.

Aditivos químicos; Contenido de aire intencionalmente incluido; Características especiales que requiere ese concreto; Método de transporte interno en la obra.

En Chile, se deben especificar: 1. Resistencia especificada; 2. Fracción defectuosa; 3. Tamaño máximo nominal del agregado grueso; 4. Docilidad del concreto.

DOSIFICACIÓN La dosificación es el proceso de medida, por masa o por volumen, de los ingredientes del concreto y su introducción en la mezcladora. Para producirse un concreto con calidad uniforme, los ingredientes se deben medir con precisión para cada revoltura (bachada, amasada). La mayoría de las especificaciones requiere que la dosifi-

La ASTM C 94 describe tres opciones para pedir y especificar concreto: 1. Opción A se basa en el desempeño. Ésta requiere que el comprador especifique sólo la resistencia a compresión, mientras que el productor del concreto selecciona las proporciones de la mezcla necesarias para la obtención de la resistencia a compresión requerida. 2. Opción B se basa en prescripción. El comprador especifica las proporciones de la mezcla, incluyendo el contenido de cemento, agua y aditivos. 3. Opción C es una opción mezclada. Ésta requiere que el productor de concreto seleccione las proporciones con el contenido mínimo de cemento y la resistencia especifica por el comprador. En Argentina se deben fornecer los siguientes datos al pedir un concreto para una central mezcladora (hormigonera): 1. Tipo de estructura; 2. Resistencia característica a compresión del concreto; 3. Tipo y cantidad mínima de cemento por metro cúbico de concreto y relación agua-cemento máxima; 4. Tipo y tamaño máximo de los agregados; 5. Consistencia de la mezcla fresca;

Fig. 10-1. Sala de control de los equipos de dosificación en una planta típica de concreto premezclado. (69894) 217


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

cación sea por masa y no por volumen. El agua y los aditivos líquidos se pueden medir con precisión tanto por volumen como también por masa. Las especificaciones normalmente requieren que los materiales se midan para revolturas individuales con la siguiente precisión: material cementante ±1%, agregados ±2%, agua ±1% y aditivos ±3%. Los equipos deben ser capaces de medir las cantidades con estas tolerancias para la menor cantidad de mezcla normalmente usada, bien como para mezclas mayores (Fig. 10-1). Se deben verificar periódicamente la precisión de las escalas y los equipos de mezclado y se deben hacer los ajustes, si necesario. Los aditivos químicos líquidos se deben adicionar a la mezcla en soluciones acuosas. El volumen del líquido, si significante, se debe substraer de la cantidad de agua de mezcla de la revoltura. Los aditivos que no se pueden adicionar a la mezcla en solución, se los puede dosificar por masa o por volumen, de acuerdo con la recomendación del fabricante. Se deben verificar los surtidores de aditivos frecuentemente, pues errores en su dosificación, principalmente en el caso de sobredosis, pueden crear problemas serios tanto en el concreto fresco como en el endurecido.

Mezclado Estacionario El concreto a veces se mezcla en la obra a través de una mezcladora estacionaria o de una mezcladora pavimentadora (Fig. 10-2). Las mezcladoras estacionarias incluyen tanto las mezcladoras en obra como las mezcladoras en central de concreto premezclado. Están disponibles en volúmenes de hasta 9.0m3 (12 yardas3) y pueden ser del tipo basculante o fijo o del tipo de pala rotatoria con abertura superior o del tipo paleta. Todos los tipos pueden estar equipados con botes (ships) de carga y algunos son equipados con un canalón de descarga giratorio (canal). Muchas mezcladoras estacionarias tienen dispositivos para medir el tiempo y algunos se pueden regular para que no se pueda descargar la mezcla sino hasta que haya transcurrido el tiempo designado. Se debe tomar una atención cuidadosa en relación al tiempo de mezclado requerido. Muchas especificaciones requieren un tiempo mínimo de mezclado de 1 minuto más 15 segundos para cada metro cúbico (yarda), a menos que los ensayos de desempeño tengan mostrado que periodos más cortos son aceptables y van a producir una mezcla de concreto uniforme. Periodos cortos de mezclado pueden resultar en mezclas no homogéneas, distribución pobre de los vacíos de aire (resultando en baja resistencia a congelación), desarrollo de resistencia pobre y problemas de endurecimiento rápido. El periodo de mezclado se debe medir a partir del momento que todo el cemento y agregados estén en el tambor y desde que toda el agua sea adicionada antes que transcurra un cuarto del tiempo de mezclado (ACI 304R-00). Bajo las condiciones normales, hasta un 10% del agua de mezcla se debe ubicar en el tambor antes que los materiales sólidos sean adicionados. El agua restante se debe adicionar uniformemente con los materiales sólidos, dejando cerca de un 10% para ser añadido después que todos los materiales estén en el tambor. Cuando se usa

MEZCLADO DEL CONCRETO Todo concreto se debe mezclar completamente hasta que tenga una apariencia uniforme, con todos sus ingredientes igualmente distribuidos. Las mezcladoras no se deben cargar más que sus capacidades y se deben operar en la velocidad de mezclado recomendada por el fabricante. Se puede aumentar la producción con el uso de mezcladoras mayores o con mezcladoras adicionales, pero no a través del aumento de la velocidad de mezclado o de la sobrecarga del equipo con el cual se cuenta. Si las palas (aspas o paletas) de la mezcladora se vuelven desgastadas o recubiertas con concreto endurecido, el mezclado va a ser menos eficiente. Estas condiciones se deben corregir. Si el concreto fue adecuadamente mezclado, las muestras tomadas de diferentes porciones de la mezcla van a tener esencialmente la misma densidad, contenido de aire, revenimiento (asentamiento) y contenido de agregado grueso. Las diferencias máximas permitidas en la evaluación de la uniformidad de la revoltura del concreto premezclado se encuentran en la ASTM C 94 (AASHTO M 157). El concreto ligero estructural se puede mezclar de la misma manera que el concreto de peso normal, cuando el agregado tiene menos que 10% de absorción total en masa o cuando la absorción es menor que 2% en masa en las dos primeras horas de inmersión en agua. Para agregados que no respeten estos límites, los procedimientos de mezclado se describen en PCA (1986).

Fig. 10-2. Se puede mezclar el concreto en la obra en una mezcladora estacionaria. (58642) 218


Capítulo 10 ◆ Dosificacion, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto agua caliente en clima frío, esta orden de cargamento puede requerir alguna modificación para prevenir el endurecimiento prematuro cuando el agua entra en contacto con el cemento. En este caso, la adición de los materiales cementantes se debe retrasar hasta que casi todo el agregado y el agua se mezclen en el tambor. Cuando la mezcladora se carga directamente de la planta mezcladora, los materiales se deben adicionar simultáneamente en una tasa tal que el tiempo de cargamento sea casi el mismo para todos los materiales. Si se usan materiales cementantes suplementarios, se los debe adicionar después del cemento. Si se utilizan aditivos retardadores o reductores de agua, se los debe adicionar siempre en la misma secuencia en el ciclo de cargamento. De otra manera, pueden ocurrir grandes variaciones en el tiempo de fraguado o en el porcentaje de aire incluido (incorporado). La adición del aditivo debe completarse dentro del primer minuto después de la adición completa del agua al cemento o antes del inicio de los últimos tres cuartos del ciclo de mezclado, cualquiera que ocurra primero. Si se emplean dos o más aditivos en la misma mezcla de concreto, deben ser adicionados separadamente. Esto para prevenirse cualquier interacción que pueda interferir en la eficiencia de cualquiera de los aditivos y que pueda afectar las propiedades del concreto. Además, la secuencia en la cual se los adiciona a la mezcla también puede ser importante.

un camión mezclador operando en la velocidad de agitación (Fig. 10-3) o en un camión no agitador (Fig. 10-4 superior). La Figura 10-5 enseña una planta central de concreto premezclado. 2. El concreto se mezcla parcialmente en la mezcladora estacionaria y el mezclado se completa en el camión mezclador.

Concreto Premezclado El concreto premezclado se dosifica y se mezcla fuera de la obra y se entrega en la construcción en el estado fresco y no endurecido. Se puede producir por uno de los siguientes métodos: 1. El concreto mezclado en central se mezcla completamente en la mezcladora estacionaria (Fig. 10-3) y se lo entrega en un camión agitador (Fig. 10-4 inferior), en

Fig. 10-4. (Superior) Camiones no agitadores se usan en plantas mezcladoras, indicados donde el transporte corto y rápido permite la colocación rápida de grandes volúmenes de concreto. (Inferior) Camión agitador también se usa en plantas mezcladoras. El mezclado con agitación permite que los camiones agitadores fornezcan concreto para proyectos con tasas de colocación lenta de concreto y en distancias mayores que los camiones no agitadores. (69897, 69898)

Fig. 10-3. Mezclado en central en una mezcladora estacionaria con tambor basculante y entrega con camión mezclador operando en velocidad de agitación. (69926) 219


220

Entrega de agregados Tolva de recibimiento de agregados Almacenamiento de agregados Estera transportadora Almacenamiento de material cementante Tolva de carga Entrega de cemento Mezcladora Aditivos

P

L

N

J Camión de concreto premezclado con material retornado K Agua reciclada L Agregados recuperados M Bomba N Almacenamiento de agua O Cargamento del concreto en el camión de concreto premezclado P Sala de control

O

I

H

Fig. 10-5. Etapas de la producción del concreto en una planta mezcladora.

A B C D E F G H I

A

B

I

F

E

D

M

K

G

J

C

A

D

E

Diseño y Control de Mezclas de Concreto EB201


Capítulo 10 ◆ Dosificacion, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto 3. El concreto mezclado en el camión se mezcla completamente en el camión mezclador (Fig. 10-6). La ASTM C 94 (AASHTO M 157) resalta que cuando se usa un camión mezclador para el mezclado completo, normalmente se requieren de 70 a 100 revoluciones del tambor y de las palas en la tasa de rotación designada por el fabricante como velocidad de mezclado para producir un concreto con la uniformidad deseada. Después de 100 revoluciones, éstas deben ser a una tasa de rotación designada por el fabricante como velocidad de agitación. La velocidad de agitación es normalmente de 2 a 6 rpm y la velocidad de mezclado de 6 a 18 rpm. El mezclado con velocidades elevadas por periodos prolongados, cerca de más de 1 hora, puede resultar en pérdida de resistencia, aumento de la temperatura, pérdida excesiva del aire incluido (incorporado) y pérdida acelerada de revenimiento (asentamiento) del concreto. Cuando se usan camiones mezcladores, la ASTM C 94 (AASHTO M 157) también limita el tiempo entre mezclado y descarga completa del concreto en la obra en 11⁄2 hora, o antes que el camión haya logrado 300 revoluciones después de la adición del agua al cemento y agregados, o de introducir el cemento a los agregados. Los mezcladores y agitadores se deben siempre operar dentro de los límites de volumen y velocidad de rotación designados por el fabricante del equipo.

Fig. 10-7. La dosificadora móvil mide los materiales por volumen y mezcla continuadamente, a medida que los ingredientes secos, agua y aditivos se alimentan dentro del tambor de mezclado en la parte trasera del vehículo. (54087)

secos, el agua y los aditivos se van alimentando en la mezcladora a través de un sistema de barrena (mosano). El concreto debe obedecer las especificaciones de las normas nacionales o de la ASTM C 685 (AASHTO M 241) y se lo proporciona y se lo mezcla en la obra en las cantidades necesarias. El concreto se ajusta fácilmente para las condiciones de colocación (hormigonado, puesta en obra, colado) del proyecto y las condiciones del clima.

Remezclado del Concreto El concreto fresco que se agita en el tambor de la mezcladora tiende a enrigidecerse antes del desarrollo del fraguado inicial. Este concreto se puede utilizar si bajo el remezclado se vuelve suficientemente plástico para que se lo compacte en las cimbras (encofrados). Normas como la ASTM C 94 permiten la adición de agua para el remezclado del concreto cuando el camión llega a la obra y el revenimiento (asentamiento) es menor que lo especificado, desde que se cumplan las siguientes condiciones: (1) no se exceda la relación agua-cemento permisible como calculada, incluyéndose el agua en la superficie de los agregados, agua de mezcla y agua de remezclado; (2) No se exceda el revenimiento (asentamiento) máximo permisible; (3) no se excedan el tiempo máximo de mezclado y de agitación (o revoluciones del tambor) y (4) el concreto sea remezclado por lo mínimo 30 revoluciones en la velocidad de mezclado o hasta que se logre la uniformidad del concreto, de acuerdo con los límites descritos en las normas. No se debe adicionar el agua a la carga parcial. Si el endurecimiento prematuro se torna un problema persistente, se puede usar un aditivo retardador de fraguado para controlar la hidratación temprana, especialmente en mezclas con altos contenidos de cemento. Se permiten

Fig. 10-6. El concreto mezclado en camión se mezcla completamente en el camión mezclador. (1153)

Concreto Mezclado en Dosificadora Móvil (Mezcladora Continua) Mezcladoras móviles volumétricas son camiones especiales (Fig. 10-7) que dosifican por volumen y mezclan el concreto continuadamente a medida que los ingredientes 221


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

ajustes en la obra del inclusor (incorporador) de aire y de otros aditivos, desde que seguidos de mezclado suficiente. No se debe permitir la adición indiscriminada de agua para tornar el concreto más fluido porque esto baja la calidad del concreto. La adición tardía del agua y el remezclado para retemplar la mezcla pueden reducir considerablemente la resistencia del concreto.

Métodos y Equipos de Transporte y Manejo del Concreto La Tabla 10-1 resume los métodos y los equipos más comunes para el transporte del concreto hasta el punto donde se lo requiere. En los últimos 75 años, ha habido pocos, si ocurrieron, cambios significativos en los principios de transporte del concreto. Lo que ha cambiado es la tecnología que ha llevado al desarrollo de una maquinaria mejor para elaborarse el trabajo más eficientemente. La carretilla y el carretón, aún se utilizan, pero avanzaron y ahora se puede encontrar la versión motorizada (Fig. 10-8). El balde (cubo, cubeta, tolva) arrastrado por una rueda de polea se ha transformado en un balde y una grúa (Fig. 10-9) y el vagón

TRANSPORTE Y MANEJO DEL CONCRETO El planeamiento anticipado puede ayudar en la elección del método más apropiado de manejo para una aplicación. Considere las siguientes tres ocurrencias que, si suceden durante el manejo y la colocación (colado), pueden afectar seriamente la calidad del trabajo acabado: Retrasos. El objetivo del planeamiento de cualquier programa de trabajo es producir el trabajo con la mayor rapidez, con la menor fuerza laboral y con el equipo adecuado. Las máquinas para transporte y manejo de concreto están mejorando continuadamente. La mayor productividad será lograda si se planea el trabajo para que se aprovechen, al máximo, el personal y los equipos y si estos se seleccionan para que se reduzcan los retrasos durante la colocación del concreto. Endurecimiento Prematuro y Secado. El concreto empieza a endurecerse en el momento que se mezclan los materiales cementantes y el agua, pero el grado de endurecimiento que ocurre en los primeros 30 minutos no es un problema. El concreto que se mantiene en agitación generalmente se lo puede colocar y compactar en un periodo de 11⁄2 hora después del mezclado, a no ser que la temperatura elevada del concreto o el contenido alto de cemento aceleren excesivamente la hidratación. El planeamiento debe eliminar o minimizar las variables que permitirían el endurecimiento del concreto en un grado tal que no se logre la consolidación completa y que torne el acabado difícil. Menos tiempo está disponible durante las condiciones que apresuran el proceso de endurecimiento, tales como clima caluroso y seco, uso de aceleradores y concreto caliente.

Fig. 10-8. La versátil carretilla motorizada puede mover todo tipo de concreto en distancias pequeñas. (54088)

Segregación. La segregación es la tendencia del agregado grueso de separarse del mortero de cemento y arena. Esto resulta en que parte de la mezcla tiene poca cantidad de agregado grueso y el resto tiene cantidad excesiva. La parte que tiene poca cantidad de agregado grueso tiende a retraerse y a fisurarse más, presentando poca resistencia a abrasión. La parte con cantidad excesiva de agregado puede ser muy áspera, dificultando la consolidación y acabado completos, siendo una causa frecuente de aparecimiento de agujeros.

Fig. 10-9. El concreto se levanta fácilmente hacia su localización final por una grúa y cubo. (69687) 222


Capítulo 10 ◆ Dosificacion, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto Tabla 10-1. Métodos y Equipos para el Transporte y el Manejo del Concreto Equipo

Tipo de trabajo más adecuado para el equipo

Ventajas

Puntos a fijarse

Baldes (cubos, cubetas, tolvas)

Usados con las grúas, cablevías y helicópteros para la construcción de edificios y presas. Transporta el concreto directamente del punto de descarga en la central hasta la cimbra (encofrado) o hasta un punto secundario de descarga.

Permite el aprovechamiento total de la versatilidad de las grúas, cablevías y helicópteros. Descarga limpia. Gran variedad de capacidades.

Escoja la capacidad del cubo de acuerdo con el tamaño de la mezcla y la capacidad del equipo de colocación. Se debe controlar la descarga.

Bombas

Usadas para transportar concreto directamente desde el punto de descarga de la central hasta la cimbra (encofrado) o el punto de descarga secundario.

La tubería ocupa poco espacio y se la puede extender fácilmente. La descarga es continua. La bomba puede mover el concreto vertical y horizontalmente. Bombas montadas en camiones pueden entregar concreto tanto en obras pequeñas como en grandes proyectos. Los aguilones estacionarios fornecen concreto continuadamente para la construcción de edificios altos.

Se hace necesario un suministro de concreto fresco constante con consistencia media y sin la tendencia a segregarse. Se debe tener cuidado al operar la tubería para garantizarse un flujo uniforme. Además, se la debe limpiar al concluirse cada operación. El bombeo vertical, con curvaturas y a través de mangueras flexibles va a reducir considerablemente la distancia máxima de bombeo.

Camión agitador

Usados para transporte de concreto para pavimentos, estructuras y edificios. La distancia de transporte debe permitir la descarga del concreto en 11⁄2 hora, pero este límite se puede ignorar bajo ciertas circunstancias.

Se operan desde una central mezcladora donde se produce concreto de calidad bajo condiciones controladas. La descarga desde los agitadores es controlada. Hay uniformidad y homogeneidad del concreto en la descarga.

El tiempo de descarga debe adecuarse a la organización de la obra. El personal y los equipos deben estar listos en la obra para el manejo del concreto.

Camión mezclador

Usados para transporte de concreto para pavimentos, estructuras y edificios. La distancia de transporte debe permitir la descarga del concreto en 11⁄2 hora, pero este límite se puede ignorar bajo ciertas circunstancias.

No se necesita de central mezcladora, sólo una planta de dosificación, pues el concreto se mezcla completamente en el camión. La descarga es la misma que en el camión agitador.

El tiempo de descarga debe adecuarse a la organización de la obra. El personal y los equipos deben estar listos en la obra para el manejo del concreto. El control de calidad del concreto no es tan bueno como en la central mezcladora.

Camiones no agitadores

Usados para transportar concreto en distancias cortas sobre pavimentos suaves.

El costo de capital del equipo no agitador es menor que el de los camiones agitadores o mezcladores.

El revenimiento del concreto se debe limitar. Posibilidad de segregación. Se necesita de una altura libre para levantar el cuerpo del camión en la descarga.

Canalones sobre camión mezclador

Para transportar concreto a un nivel inferior, normalmente abajo del nivel del terreno, en todos los tipos de construcción de concreto.

Bajo costo y facilidad de maniobrar. No se necesita fuerza, pues la gravedad hace la mayor parte del trabajo.

La inclinación debe variar entre 1 para 2 y 1 para 3. Los canalones se deben soportar adecuadamente en todas las posiciones. Son necesarios arreglos en las extremidades para evitar segregación.

Canalones de desnivel

Usados en la colocación del concreto en cimbras (encofrados) verticales de todos los tipos. Algunos canalones son una pieza de tubo producido en lona con goma flexible, mientras que otros son cilindros de metal articulados montados (trompa de elefante).

El canalón de desnivel lleva el concreto directamente para la cimbra (encofrado) y lo conduce hacia el fondo sin segregación. Su empleo evita el derrame de la lechada y del concreto sobre el acero de refuerzo o las laterales de la cimbra, el cual es dañino cuando se especifican superficies aparentes. También van a prevenir la segregación de las partículas de agregado grueso.

Deben ser suficientemente grandes, con aberturas abocinada en las cuales se puede descargar el concreto sin derramarlo. La sección transversal del canalón de desnivel se debe escoger para permitir su inserción en la cimbra sin interferir en la armadura de acero.

223


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

Tabla 10-1. Métodos y Equipos para el Transporte y el Manejo del Concreto (Continuación) Equipo

Tipo de trabajo más adecuado para el equipo

Ventajas

Puntos a fijarse

Carretillas manuales y motorizadas

Para transporte corto y plano en todos los tipos de obra, especialmente donde la accesibilidad al área de trabajo es restricta.

Son muy versátiles y por lo tanto ideales en interiores y en obras donde las condiciones de colocación están cambiando constantemente.

Lentas y de trabajo intensivo.

Esparcidores (extendedores) de tornillo

Usados para esparcir concreto en áreas grandes, tales como en pavimentos y losas de puentes.

Con un esparcidor de tornillo, una mezcla de concreto descargada de un balde o un camión se puede esparcir rápidamente sobre un área ancha con un espesor constante. El concreto esparcido tiene buena uniformidad de compactación antes que se emplee la vibración para la compactación final.

Los esparcidores se usan normalmente como parte de tren de pavimentación. Se los deben usar para esparcir el concreto antes que la vibración sea aplicada.

Esteras (bandas) transportadoras

Para transportar horizontalmente el concreto o a niveles más abajo o más arriba. Normalmente se posicionan entre los puntos de descarga principal y secundario.

Las esteras transportadoras tienen alcance ajustable, desviador viajero y velocidad variable, sea hacia delante o en reversa. Puede colocar rápidamente grandes volúmenes de concreto, aun cuando el acceso es limitado.

Son necesarios arreglos en las extremidades de descarga para prevenirse la segregación y para no dejar mortero en la estera de regreso. En climas adversos (calurosos y ventosos) las esteras largas necesitan de cubiertas.

Esteras transportadoras montadas sobre camión mezclador

Para transportar el concreto a un nivel inferior, al mismo nivel o a un nivel más alto.

Los equipos de transporte llegan con el concreto. Tienen alcance ajustable y velocidad variable.

Son necesarios arreglos en las extremidades de descarga para prevenirse la segregación y para no dejar mortero en la estera de regreso.

Grúas y balde

Es el equipo adecuado para trabajo arriba del nivel del terreno.

Pueden manejar concreto, acero de refuerzo (armadura), cimbra (encofrado) y artículos secos en puentes y edificios con estructura de concreto.

Tiene uno sólo gancho. Se hace necesario un planeamiento cuidadoso entre el comercio y la operación para mantenerse la grúa ocupada.

Mezcladoras de dosificación móviles

Usadas en la producción intermitente de concreto en la obra o donde se necesitan sólo pequeñas cantidades.

Es un sistema combinado de transporte, dosificación y mezclado para la dosificación rápida y precisa del concreto especificado. Operado por un sólo hombre.

Operación sin problemas que requiere una buena manutención preventiva del equipo. Los materiales deben ser idénticos a aquéllos originalmente empleados en el diseño de la mezcla.

Pistolas neumáticas (Concreto lanzado)

Usadas donde se va a colocar el concreto en sitios difíciles y en secciones finas con áreas grandes.

Ideal para la colocación del concreto en formas libres de cimbras, en reparos de estructuras, en recubrimientos protectores, cubiertas delgadas y paredes de edificios con cimbras en una cara.

La calidad del trabajo depende de la destreza del operador del equipo. Sólo se debe emplear un lanzador de concreto con experiencia.

Tremie (tubo embudo)

Para la colocación del concreto bajo el agua.

Se la puede usar para verter concreto en la cimentación u otra estructura bajo el agua.

Se hacen necesarias precauciones para que se garantize que la extremidad de descarga de la tremie esté siempre enterrada en el concreto fresco, de modo que se preserve el sello entre el agua y la masa del concreto. Su diámetro debe ser de 250 a 300 mm (10 a 12 pulg.), a menos que haya presión disponible. Las mezclas de concreto necesitan más cemento, 390 kg/m3 (658 lb/yarda3) y un revenimiento más elevado, de 150 a 230 mm (6 a 9 pulg.) porque el concreto tiene que fluir y consolidarse sin vibración.

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Capítulo 10 ◆ Dosificacion, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto tirado por caballos se ha convertido en los camiones mezcladores (Figs. 10-10 y 10-11). Hace años el concreto se colaba en los edificios de concreto armado a través de torres y canalones largos. Esta torre era contraventeada y colocada en la parte central de la obra con una tolva en su parte superior, a la cual se llevaba el concreto mediante un torno de elevación (malacate). Una serie de canalones suspendidos por la torre permitía que el concreto fluyera por gravedad directamente al punto deseado. A medida que los edificios con estructura de concreto se volvieron más altos, la necesidad de levantar la armadura de refuerzo, las cimbras (encofrados) y el concreto a niveles más elevados condujo al desarrollo de las torre grúa – una escena conocida en el horizonte de la construcción actual (Fig. 10-12). Eso es rápido y versátil pero, al planearse un trabajo, se debe llevar en cuenta que posee sólo un gancho. La concepción de la estera transportadora es vieja pero mucho ha cambiado a lo largo de los años (Fig. 1013). Recientemente, se empezaron a utilizar las esteras transportadoras montadas en camiones mezcladores (Fig. 10-14). El proceso neumático de concreto lanzado (hormigón proyectado, gunitado) fue patentado en 1911 y literalmente no ha cambiado (consulte el Capítulo 18). La primera bomba mecánica para concreto fue desarrollada en los años 50. El avanzo de las bombas móviles con aguilón de colocación hidráulica (Fig. 10-15) es probablemente la innovación individual más importante en los equipos de manejo de concreto. Su empleo es económico tanto para grandes como pequeñas cantidades de concreto, dependiendo de las condiciones de la obra. En proyectos de pequeños a medianos, se puede usar la combinación de camión mezclador, bomba y aguilón para el transporte y la colocación del concreto. El esparcidor (extendedor) de tornillos (Fig. 10-16) es bien eficiente en la

Fig. 10-11. En comparación con los camiones convencionales de descarga trasera, los camiones mezcladores de descarga delantera fornecen al conductor mayor movilidad y control para la descarga directa en el sitio. (70006)

Fig. 10-12. La torre grúa y el cubo pueden manejar el concreto fácilmente en construcciones de edificios altos. (69969)

colocación y distribución del concreto en pavimentos. El esparcidor de tornillos puede colocar rápida y eficientemente un espesor uniforme de concreto. Consulte Panarese (1987) para más información sobre los métodos de transporte y manejo del concreto.

Elección del Mejor Método La primera cosa que se debe observar es el tipo de obra, su tamaño físico, la cantidad total de concreto a ser colado y el tiempo programado. El estudio más profundo de los detalles de la obra va a determinar cuanto del trabajo está abajo o arriba del nivel del terreno. Esto ayuda en la elec-

Fig. 10-10. El concreto premezclado normalmente se lo puede colocar en su localización final a través de la descarga directa por el canalón desde el camión mezclador. (54955) 225


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 ción del equipo de manejo de concreto necesario para su colocación en los niveles requeridos. El concreto se debe mover de la mezcladora hasta el punto de su colocación lo más rápido posible, sin segregación o pérdida de los ingredientes. Los equipos de transporte y manejo deben tener la capacidad de mover una cantidad suficiente de concreto para que se eliminen las juntas frías.

Trabajo en el Nivel del Terreno y Abajo Nivel del Terreno Los mayores volúmenes de concreto, en una obra típica, están o abajo o al nivel del terreno y por lo tanto se pueden colocar a través de métodos diferentes de aquéllos empleados en la superestructura. El trabajo en concreto abajo del nivel del terreno puede variar significantemente – desde la colocación de pilas perforadas de gran diámetro o losas masivas de cimientos hasta trabajos complicados en las paredes del sótano y subsótano. Se puede usar una grúa para manejar la cimbra (encofrado), el acero de refuerzo y el concreto. Sin embargo, la grúa se puede usar para levantar la cimbra y el acero antes del concreto y para el manejo del concreto tal vez deban emplearse otros métodos para la colocación de un gran volumen de concreto en un tiempo menor. Se puede transportar directamente el concreto del camión mezclador hasta el punto de colocación, a través de canalones. Éstos deben ser metálicos o recubiertos con metal y su inclinación no puede exceder 1 medida vertical para 2 horizontales ni ser menor que 1 medida vertical para 3 horizontales. Canalones largos, con más de 6 metros (20 ft) o aquéllos que no obedecen a la inclinación

Fig. 10-13. La estera (banda) transportadora es un método eficiente y portátil para el manejo del concreto. Un canalón previne que el concreto segregue al dejar la estera. El tractor raspador previne la pérdida de mortero. Las esteras transportadoras se pueden operar en series y sobre los aguilones extensibles (plumas telescópicas) de las grúas hidráulicas. (69896)

Fig. 10-14. La estera transportadora montada sobre el camión mezclador coloca el concreto hasta 12 metros (40 pies) sin la necesidad de ningún equipo adicional de manejo. (53852)

Fig. 10-15. (Izquierda) Una bomba montada sobre el camión y un aguilón pueden convenientemente mover el concreto verticalmente y horizontalmente para la posición deseada. (Derecha) Vista de la descarga del concreto de una manguera flexible conectada a la tubería rígida que se dirige de la bomba. La pipa (tubo) se usa en los aguilones de bombeo para mover el concreto hasta distancias relativamente largas. Hasta 8 m (25 pies) de manguera flexible se puede conectar a la extremidad de la tubería rígida para mejorar la movilidad de colocación. (69968, 69966) 226


Capítulo 10 ◆ Dosificacion, Mezclado, Transporte y Manejo del Concreto estándar, deben descargarse en una tolva antes de la distribución hasta el punto de necesidad. Otra alternativa es que la bomba de concreto lo mueva hasta la posición final (Fig. 10-16). Las bombas deben tener una capacidad adecuada y deben transportar el concreto sin segregarlo. La presión que fuerza el agua de la mezcla para dentro de los agregados, a medida que el concreto se mueve desde la tolva de la bomba hasta la descarga al final de la tubería, causa una pérdida de revenimiento (asentamiento), la cual no puede exceder 50 mm (2 pulg.) El contenido de aire generalmente no debe disminuir más que 2 puntos porcentuales durante el bombeo. Una pérdida de aire mayor que ésta se puede causar por la configuración del aguilón que permite que el concreto caiga excesivamente. En vista de eso, el concreto en el punto de descarga, en la extremidad de la bomba, debe atender a las especificaciones de revenimiento y de contenido de aire. Las tuberías no deben ser de aluminio o aleaciones de aluminio para que se evite la incorporación excesiva de aire, pues el aluminio reacciona con los hidróxidos alcalinos del cemento para formar gas hidrógeno, resultando en una reducción grande de la resistencia del concreto. Las esteras transportadoras son muy útiles en trabajos cerca del nivel del terreno. Como la colocación del concreto abajo del nivel del terreno normalmente requiere movimiento horizontal, que se ayuda por la gravedad, se pueden usar las esteras portátiles livianas para una producción elevada a un costo bajo.

Fig. 10-16. El esparcidor (extendedor) de tornillos esparce rápidamente el concreto sobre un área amplia con un espesor uniforme. Se usan los esparcidores de tornillos principalmente en la construcción de pavimentos. (69895)

Trabajo Superiores al Nivel del Terreno La estera transportadora, la grúa y el cubo, el montacargas, la bomba y el moderno gancho aéreo (helicóptero) se pueden usar para levantar concreto hasta las posiciones superiores al nivel del terreno (Fig. 10-17). La torre grúa (Fig. 10-12) y el aguilón de bombeo (Fig. 10-18) son las herramientas correctas para edificios altos. El volumen de concreto necesario en cada piso, bien como la localización y la longitud del aguilón, afectan la utilización del bombeo. Los volúmenes grandes minimizan los movimientos de la tubería en relación a la descarga. Las especificaciones y el desempeño de los equipos de transporte y manejo se mejoran continuadamente. Los mejores resultados y los costos más bajos se logran si se planea el trabajo para aprovecharse al máximo los equipos y si se los usa de manera flexible para reducir los costos totales de la obra. Cualquier método es caro si no es capaz de realizar el trabajo. Panarese (1987) es muy útil para ayudar en la elección del método, basado en la capacidad y en una gama de información sobre los más variados métodos y equipos.

Fig. 10-17. Para trabajos sobre el terreno o en sitios inaccesibles, un cubo de concreto se puede levantar por un helicóptero. (Fuente: Paschal)

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Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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REFERENCIAS ACI Committee 301, Specifications for Structural Concrete (Especificaciones para el Concreto Estructural), ACI 301-99, ACI Committee 301 Report, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1999. ACI Committee 304, Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete (Guía para Dosificación, Mezclado, Transporte y Colocación del Concreto), ACI 304R00, ACI Committee 304 Report, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2000. ACI Committee 304, Placing Concrete by Pumping Methods (Bombeo del Concreto), ACI 304.2R-96, ACI Committee 304 Report, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1996.

Fig. 10-18. Un aguilón montado sobre un mástil y localizado cerca del centro de la estructura puede frecuentemente llegar a todos los puntos de la colocación. Se usa principalmente en edificios altos donde las torres de grúa no se pueden ocupar de la colocación del concreto. Éste se fornece al aguilón a través de la tubería proveniente de la bomba ubicada en el nivel del terreno. Con estos métodos, el concreto se puede bombear verticalmente por cientos de metros (pies). (49935)

ACI Committee 304, Placing Concrete with Belt Conveyors (Colocación del Concreto con Esteras Transportadoras), ACI 304.4R-95, ACI Committee 304 Report, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1995. Haney, James T. y Meyers, Rodney A., Ready Mixed Concrete—Plant and Truck Mixer Operations and Quality Control (Concreto Premezclado – Operaciones de la central y del camión mezclador y control de calidad), NRMCA Publication No. 172, National Ready Mixed Concrete Association, Silver Spring, Maryland, Mayo 1985. Panarese, William C., Transporting and Handling Concrete (Transporte y Manejo del Concreto), IS178, Portland Cement Association, 1987. PCA, Concrete for Small Jobs (Concreto para Obras Pequeñas), IS174, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/IS174.pdf, 1988. PCA, Structural Lightweight Concrete (Concreto Estructural Ligero), IS032, Portland Cement Association, http://www. portcement.org/pdf_files/IS032.pdf, 1986.

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Capítulo 11

Colado y Acabado del Concreto PREPARACIÓN ANTES DE LA COLOCACIÓN (COLADO) La preparación antes de la colocación (colado) del concreto en pavimentos o losas sobre el terreno incluye compactación, formación de guarniciones y humedecimiento de la subrasante (Figs. 11-1, 11-2, 11-3), levantamiento de las cimbras (encofrados) y colocación y ajuste del acero de refuerzo (armadura) y de otros artículos inseridos. El humedecimiento de la subrasante es importante, especialmente en un clima cálido y seco, para evitar que la subrasante absorba mucha agua del concreto. Esto también aumenta la humedad del aire en el medio circundante, disminuyendo la evaporación de la superficie del concreto. La resistencia o la capacidad de soporte de la subrasante deben ser adecuadas para resistir las cargas estructurales previstas. En el clima frío, no se debe colocar el concreto sobre una subrasante congelada. La nieve, hielo y otros escombros se deben retirar del interior de las cimbras antes del colado del concreto. Cuando el concreto se vaya a colocar sobre rocas o concreto endurecido, todo material suelto se

Fig. 11-2. Camiones de agua con barras de rociado que se usan para humedecer las subrasantes y las capas de base para lograrse una compactación adecuada y para reducir la cantidad de agua retira del concreto al colocárselo. (69931)

Fig. 11-1. Se da la forma de una capa de base para el pavimento de concreto con un auto-nivelador a fin de diseñar el perfil, la sección transversal y el alineamiento, a través de sensores automáticos que siguen las líneas de referencia. (69935)

Fig. 11-3. (superior) La compactación adecuada de la capa de base de la cimentación para el pavimento de concreto se logra con el uso de rodillo vibratorio. (inferior) Los compactadores de platos vibratorios también se usan para preparar las subrasantes bajo losas. (69934, 69930) 229


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

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debe remover y las caras de corte deben ser aproximadamente verticales u horizontales, y no inclinadas. El concreto recién colocado que requiera una capa superior, frecuentemente se pica, poco después de haberse endurecido, para producir una mejor adherencia con la capa siguiente. Desde que no haya ninguna lechada (una capa débil de concreto), polvo o partículas sueltas, la capa de concreto recién endurecido requiere poca preparación antes de la colocación de concreto fresco sobre ella. Cuando está en servicio por un cierto periodo de tiempo, el concreto viejo normalmente requiere una limpieza mecánica y su superficie se debe volver áspera antes de la colocación del concreto nuevo. El tema de la colocación de concreto fresco sobre concreto endurecido se discute con más detalles en las secciones “Colocación sobre Concreto Endurecido” y “Construcción de Juntas”. Las cimbras (encofrados) se deben colocar, limpiar, fijar y apuntalar (arriostrar) adecuada y precisamente y se las puede construir o forrar con materiales que ofrezcan el acabado deseado del concreto endurecido. Las cimbras de madera, a menos que se las aceite o las trate con agentes desmoldantes (desencofrantes), se deben humedecer antes de la colocación del concreto, para que no absorban el agua y no se hinchen. Las cimbras se deben construir para que su remoción cause un daño mínimo al concreto. En cimbras de madera, se debe evitar el uso de clavos muy grandes o de muchos clavos para facilitar su remoción y reducir el daño. En concreto arquitectónico, el agente desmoldante no debe manchar el concreto. Consulte Hurd (1979) y ACI Comité 347 (1997) para más informaciones sobre cimbras. El acero de refuerzo (armadura) debe estar limpio y libre de herrumbre suelta o costras de laminado cuando se coloca el concreto. Al contrario de la subrasante, el acero de refuerzo puede estar más helado que 0°C (32°F) con consideraciones especiales. Para más detalles, véase “Colado Arriba del Nivel del Terreno” en el Capítulo 14. El mortero de colados previos, que salpica las barras de refuerzo, no se necesita retirar del acero ni tampoco de otros artículos insertos, si la próxima capa se completará en pocas horas. Sin embargo, el mortero suelto y seco se debe remover de los artículos que se vayan a inserir en entregas de concreto posteriores. Todo equipo utilizado para colocar el concreto debe estar limpio y en buenas condiciones de uso. Además, equipos de reserva deben estar disponibles caso ocurra alguna falla.

Fig. 11-4. Las carretillas se usan para colar el concreto en áreas que no tienen acceso por otros métodos. (69929)

Fig. 11-5. Los brazos giratorios en las esteras transportadoras (bandas transportadoras) permiten que se coloque el concreto fresco de manera bastante homogénea en toda la cubierta. (70002)

DEPÓSITO DEL CONCRETO El concreto se debe depositar continuadamente lo más cerca posible de su posición final sin segregación (Figs. 11-4, 11-5, 11-6, 11-7 y 11-8). En la construcción de losas, la colocación debe empezar a lo largo del perímetro en una extremidad del trabajo, descargando cada amasada contra el concreto colocado anteriormente. No se

Fig. 11-6. Los camiones basculantes depositan el concreto delante de la pavimentadora de cimbras deslizantes, la cual coloca la anchura completa de una calle en una sola pasada. Las barras de transferencia (pasadores) con revestimiento de epoxi sobre canasto metálico se posicionan en la junta y se clavan en la capa de base delante de la pavimentadora. (69936) 230


Capítulo 11 ◆ Colado y Acabado del Concreto espesor dependerá del ancho de las cimbras (encofrados) y de la cantidad de refuerzo. Para evitar segregación, no se debe mover el concreto horizontalmente a largas distancias mientras se lo coloca en las cimbras o en las losas. En algunas obras, tales como muros de contención inclinados o las partes de abajo de las aberturas de las ventanas, se hace necesario mover el concreto horizontalmente dentro de las cimbras, pero la distancia debe ser la menor posible. Donde haya agua parada, el concreto se debe colocar de manera que sustituya el agua delante de él, pero no permita que el agua se mezcle con el concreto, pues esto reduciría su calidad. En todos los casos, se debe prevenir que el agua se acumule en los extremos, rincones y a lo largo de las caras de las cimbras. Se debe cuidar para evitar el disturbio de las subrasantes saturadas, a fin de que mantengan una capacidad portante suficiente para soportar las cargas estructurales. Los canalones de descarga se usan para mover el concreto hacia niveles más bajos, sin segregarlo ni salpicarlo sobre el refuerzo y las cimbras. Se ha permitido la caída libre, en cajones, del concreto adecuadamente diseñado en cajones. Los resultados de una prueba de campo para determinar si el concreto se puede caer verticalmente 15 metros (50 pies) en un cajón sin segregarse, probaron que no hay diferencias significativas en la granulometría del agregado de la muestra de control del concreto que se entregó en la obra y la muestra de la caída libre tomadas en el fondo del cajón (Turner 1970). Estudios de campo más recientes indican que la caída libre del concreto de alturas de hasta 46 metros (150 pies) – directamente sobre el acero de refuerzo o con un revenimiento (asentamiento) elevado – no resulta en segregación de los ingredientes del concreto ni reduce la resistencia a compresión (Suprenant 2001). Sin embargo, si no se usa una antipara para controlar el flujo del concreto en superficies inclinadas puede ocurrir segregación en su extremidad. Algunas veces, se coloca el concreto a través de aberturas, llamadas de ventanas, en los lados de cimbras altas y estrechas. Cuando un canalón descarga directamente a través de la abertura, sin el control del flujo del concreto en su extremidad, hay peligro de segregación. Se debe usar una tolva colectora afuera de la abertura para permitir que el concreto fluya suavemente a través de la abertura, disminuyendo la tendencia de segregación. Cuando se cuela el concreto en cimbras altas en velocidades elevadas, se puede acumular agua de sangrado (exudación) en la superficie superior, especialmente en el concreto sin aire incluido (incorporado). Se puede reducir el sangrado disminuyéndose la velocidad de colocación y con el uso de mezclas con consistencia más secas, principalmente en las partes inferiores de las cimbras. Cuando posible, se debe colocar el concreto en un nivel de 300 a 400 mm (cerca de un pie) debajo de la parte superior de la cimbra y se debe dejar el concreto cerca de una hora para que fragüe parcialmente. La colocación se debe reem-

Fig. 11-7. Los equipos para construcción de bordillo moldean continuadamente el concreto de bajo revenimiento (asentamiento) en una forma que se soporta inmediatamente sin la necesidad de cimbras (encofrados). (69937)

Fig. 11-8. Se debe colocar el concreto lo más cerca posible de la posición final. (70009)

debe verter el concreto en pilas separadas para luego nivelarlo y trabajarlo simultáneamente, ni tampoco se debe colocar (colar) el concreto en pilas grandes y moverlo horizontalmente para su posición final. Tales prácticas resultan en segregación, pues el mortero tiende a fluir adelante del material grueso. En general, se debe colocar el concreto en muros, losas espesas o cimentaciones en capas horizontales de espesor uniforme y cada capa se debe consolidar totalmente antes de la colocación (colado) de la próxima capa. La velocidad de colocación debe ser suficientemente rápida para que el concreto colado previamente no tenga fraguado cuando se coloque la capa siguiente sobre él. La colocación oportuna y la consolidación adecuada previenen recorrido de flujo, costuras y planos de debilidad (juntas frías) que resultan de la colocación de concreto fresco sobre el concreto que se haya fraguado. Las capas deben tener un espesor de 150 mm a 500 mm (6 a 20 pulg.) en miembros reforzados y de 380 mm a 500 mm (15 a 20 pulg.) en concreto masivo. El 231


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 el concreto. La extremidad inferior de la tremie se debe conservar enterrada en el concreto fresco para mantener un sello debajo de la superficie superior y para obligar que el concreto fluya, bajo presión, por debajo de esta superficie. La colocación debe ser continua sin afectar el concreto previamente colado. La superficie superior se debe mantener lo más nivelada posible. Véase ACI comité 304 (2000) para información adicional. Las bombas de concreto móviles con radio variable facilitan la colocación del concreto bajo el agua. Como la manguera flexible en la bomba de concreto es similar a la tremie, se pueden aplicar las mismas técnicas. En el método de groute con agregado precolocado, las cimbras se llenan primeramente con agregado grueso y luego los vacíos entre los agregados se llenan con groute, produciéndose el concreto. El groute con agregado precolocado tienen ventajas en la colocación de concreto en agua en movimiento. El concreto se puede colocar más rápida y económicamente que en los métodos convencionales de colocación. Sin embargo, este método es muy especializado y se lo debe realizar por personal calificado y experimentado. Las bolsas de arena llenas hasta la mitad con concreto plástico se pueden utilizar para pequeñas obras, relleno de huecos u obras temporarias. El extremo atado debe estar volcado para afuera.

pezar antes que la superficie se endurezca para evitar la formación de juntas frías. Si es posible trabajar alrededor del refuerzo vertical, es una buena práctica sobrellenar la cimbra unos 25 mm (una pulgada) y cortar el exceso de concreto después que se haya endurecido y el sangrado haya cesado. En la colocación monolítica de vigas profundas, muros o columnas, la colocación del concreto debe parar (normalmente cerca de una hora) para permitir el asentamiento de los elementos profundos antes que el colado continúe en cualquier losa, viga o trabe (pórtico) dentro de ellos, evitando el agrietamiento (fisuración) entre los elementos estructurales. El retraso debe ser suficientemente corto para permitir que la próxima capa del concreto se entrelace con la capa anterior, a través de la vibración, previniendo la formación de juntas frías y agujeros (ACI comité 304, 2000). Las ménsulas y capiteles de las columnas se deben considerar como parte del piso o de la losa de la cubierta y se los debe colocar integralmente con las losas.

COLOCACIÓN DE CONCRETO BAJO EL AGUA Si posible, es preferible colocar el concreto al aire y no bajo el agua. Cuando se los debe colocar bajo el agua, el trabajo se debe realizar bajo una supervisión experimentada. Los principios básicos para el concreto convencional en locales secos se aplican, con sentido común, en la colocación bajo el agua. Se deben observar los siguientes puntos: Se debe especificar un concreto con revenimiento (asentamiento) de 150 a 230 mm (6 a 9 pulg.) y la mezcla debe tener una relación agua-material cementante máxima de 0.45. Normalmente, el contenido de material cementante debe ser superior a 390 kg/m3 (600 lb/yd3). Es importante que el concreto fluya sin segregarse, por lo tanto, el objetivo del proporcionamiento es la obtención de una mezcla cohesiva con alta trabajabilidad. Los aditivos anti-deslave se pueden utilizar para producir un concreto con cohesión suficiente para que se lo cuele hasta profundidades limitadas de agua, aunque sin tremie (tubo embudo). El uso de agregado redondeado, una gran cantidad de finos y aire incluido ayudan en la obtención de la consistencia deseada. La corriente en el agua en la cual se coloca el concreto no debe superar 3 m (10 pies) por minuto. Los métodos para colocación del concreto bajo el agua incluyen: tremies, concreto bombeado, baldes (cubos, cubetas, tolvas), groute con agregado precolocado, bolsas de cavilla y campana submarina. La tremie es una tubería suave y recta suficientemente larga para alcanzar el punto más bajo que se vaya a llenar con el concreto desde la plataforma sobre el agua. El diámetro de la tubería de la tremie debe ser, por lo menos, 8 veces el diámetro de tamaño máximo del agregado. Se fija una tolva en la parte superior de la tubería para recibir

TÉCNICAS ESPECIALES DE COLOCACIÓN El concreto se puede colocar a través de métodos no usuales. Estos métodos, tales como el concreto lanzado (proyectado, gunitado), se describen en el Capítulo 18. No importa el método utilizado, los fundamentos del mezclado, colocación, consolidación y curado se aplican a todos los concretos de cemento portland.

CONSOLIDACIÓN DEL CONCRETO La consolidación es el proceso de compactación del concreto fresco, para moldearlo dentro de las cimbras (encofrados) y alrededor de los artículos insertos y del refuerzo, y para eliminar la concentración de piedras, agujeros y aire atrapado (Fig. 11-9). En el concreto con aire incluido, la consolidación no debe remover cantidades significativas de aire intencionalmente incluido. La consolidación se realiza a través de métodos manuales o mecánicos. El método escogido depende de la consistencia de la mezcla y de las condiciones de colocación, tales como la complejidad de las cimbras y la cantidad y espaciamiento del refuerzo. Normalmente, los métodos mecánicos que usan vibración interna o externa son los métodos preferidos de consolidación. Las mezclas trabajables y fluidas se pueden consolidar con varillado manual, es decir, insiriéndose, 232


Capítulo 11 ◆ Colado y Acabado del Concreto

Fig. 11-9. Agujero y concentración de piedras son el resultado de la consolidación inadecuada. (50207)

Fig. 11-10. La vibración adecuada permite la colocación de mezclas de concreto con poca fluidez, aunque sea en miembros densamente reforzados. (55806)

repetidamente, en el concreto una varilla u otra herramienta adecuada. La varilla debe ser suficientemente larga para alcanzar el fondo de la cimbra o de la capa y suficientemente fina para pasar fácilmente entre el refuerzo y las cimbras. El concreto con bajo revenimiento se puede volver en un concreto fluido, para facilitar la consolidación, a través del uso de superplastificantes, sin la adición de agua en la mezcla de concreto. Se puede utilizar un azadón para mejorar la apariencia de las superficies cimbradas. Una herramienta plana, similar a un azadón, se debe inserir y retirar repetidamente junto a la cimbra. Esto aleja el agregado grueso grande de la cimbra y ayuda la subida del aire atrapado hacia la superficie, donde se pueda escapar. Una mezcla diseñada para la consolidación rápida a través de métodos manuales no se debe consolidar mecánicamente, pues puede segregarse bajo la acción mecánica intensa. La consolidación mecánica adecuada posibilita la colocación de mezclas poco fluidas, con baja relación agua-material cementante y alto contenido de agregado grueso, características normalmente asociadas a concretos de alta calidad, aún en elementos altamente reforzados (Fig. 11-10). Entre los métodos mecánicos están la centrifugación, usada para consolidar concretos con revenimiento de moderado a alto que se emplean para fabricar tubos, postes y pilotes; las mesas de golpeo o de caídas, usadas para compactar concretos muy rígidos de bajo revenimiento que se emplean en la producción de unidades prefabricadas de concreto arquitectónico; y la vibración – interna y externa.

como un líquido. El concreto se fragua en las cimbras (encofrados) bajo la acción de la gravedad y los vacíos grandes de aire atrapado suben hacia la superficie más fácilmente. La fricción interna se reestablece cuando la vibración se interrumpe. Los vibradores, sea internos o externos, normalmente se caracterizan por sus frecuencias de vibración, expresadas como número de vibración por segundos (Hertz) o vibraciones por minuto (vpm). También se designan por la amplitud de vibración, que es la desviación en milímetros (pulgadas) desde un punto de descanso. La frecuencia de vibración se puede medir con el uso de un tacómetro de vibración. Cuando se usa vibración para consolidar el concreto, se debe contar con un vibrador de reserva para usarlo en caso de falla mecánica. Vibración Interna. Los vibradores internos o de inmersión (Figs. 11-10 y 11-11) se usan normalmente para con-

Vibración La vibración, interna o externa, es el método más utilizado para la consolidación del concreto. Cuando se vibra el concreto, la fricción interna entre las partículas de agregado se destruye temporariamente y el concreto se comporta

Fig. 11-11. Los vibradores internos se usan normalmente para consolidar el concreto en muros, columnas, vigas y losas. (69970) 233


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201 Los vibradores de pequeño diámetro tienen alta frecuencias, que varían de 160 a 250 Hz (10,000 a 15,000 vpm) y bajas amplitudes, variando entre 0.4 y 0.8 mm (0.016 y 0.03 pulg.). A medida que el diámetro de la cabeza aumenta, la frecuencia disminuye y la amplitud aumenta. El radio de acción efectivo de un vibrador aumenta con el aumento del diámetro. Vibradores con diámetro de 20 a 40 mm (3⁄4 a 11⁄2 pulg.) tienen un radio de acción en el concreto fresco de 75 a 150 mm (3 a 6 pulg.), mientras que el radio de acción de vibradores de 50 a 80 mm (2 a 3 pulg.) varía de 180 a 350 mm (7 a 14 pulg.). La Tabla 11-1 presenta el rango de características y aplicaciones de los vibradores internos. El uso adecuado de los vibradores internos es importante para que se obtengan los mejores resultados. Los

solidar el concreto en muros, columnas, vigas y losas. Los vibradores de eje flexible consisten en una cabeza vibratoria conectada a un motor por medio de tal eje. Dentro de la cabeza, un peso desbalanceado conectado al eje gira a alta velocidad, haciendo con que el peso gire en una órbita circular. El motor se puede impulsar por electricidad, gasolina o aire. La cabeza vibratoria es normalmente cilíndrica con un diámetro que varía de 20 a 180 mm (3⁄4 a 7 pulg.). Algunos vibradores tienen un motor eléctrico construido dentro de la cabeza, el cual normalmente tiene un diámetro de, por lo menos, 50 mm (2 pulg.). Las dimensiones de la cabeza del vibrador, bien como su frecuencia y amplitud conjuntamente con la trabajabilidad del concreto, afectan el desempeño del vibrador.

Tabla 11-1. Características, Desempeño y Aplicaciones de los Vibradores Internos*

Grupo

Diámetro de la cabeza mm (pulg.)

1

20-40 (3⁄4-11⁄2)

2

30-60 (11⁄4-21⁄2)

3

4

5

50-90 (2-31⁄2)

80-150 (3-6)

130-150 (5-6)

Frecuencia recomendada, vibraciones por minuto**

Valores sugeridos de

Valores aproximados de

Momento de Promedio Velocidad de excentricidad, de Fuerza Radio de colocación mm-kg amplitud centrífuga acción,† del concreto, –3 pulg.-lb (10 ) mm (pulg.) kg (lb) mm (pulg.) m3/h (yd3/h)‡

Aplicación

9000-15,000

3.5-12 (0.03-0.10)

0.4-0.8 (0.015-0.03)

45-180 (100-400)

80-150 (3-6)

0.8-4 (1-5)

Concreto plástico y fluido en miembros muy delgados y áreas confinadas. Se puede usar para suplementar vibradores grandes, especialmente en concreto pretensado donde los cables y tubos causan congestión en las cimbras. También se usa en la producción de especimenes de ensayo en el laboratorio.

8500-12,500

9-29 (0.08-0.25)

0.5-1.0 (0.02-0.04)

140-400 (300-900)

130-250 (5-10)

2.3-8 (3-10)

Concreto plástico en muros delgados, columnas, vigas, pilares prefabricados, losas delgadas y a lo largo de juntas de construcción. Se pueden usar para suplementar vibradores grandes en áreas confinadas.

4.6-15 (6-20)

Concreto plástico rígido (revenimiento menor que 80 mm [3 pulg.]) en la construcción en general de columnas, vigas, pilares pretensados y losas pesadas. Vibración auxiliar adyacente a las cimbras del concreto masivo y pavimentos. Se puede montar en grupos para fornecer vibración interna en todo el largo de la losa de pavimento.

11-31 (15-40)

Concreto masivo y estructural de revenimiento de 0 a 50 mm (2 pulg.) depositados en cantidades de hasta 3 m3 (4 yd3) en cimbras relativamente abiertas de construcción pesada (usina eléctrica, pilares de puentes pesados y cimentaciones). También se usa para auxiliar la vibración en la construcción de presas cerca de las cimbras y alrededor de los artículos insertos y del acero de refuerzo.

19-38 (25-50)

Concreto masivo en presas de gravedad, pilares grandes, muros masivos, etc. Dos o más vibradores se requerirán para operar simultáneamente para mezclar y consolidar cantidades de concreto de 3 m3 (4 yd3) o más, depositado en una sola vez en la cimbra.

8000-12,000

7000-10,500

5500-8500

23-81 (0.20-0.70)

8-290 (0.70-2.5)

260-400 (2.25-3.50)

0.6-1.3 320-900 (0.025-0.05) (700-2000)

0.8-1.5 680-1800 (0.03-0.06) (1500-4000)

1.0-2.0 1100-2700 (0.04-0.08) (2500-6000)

* ** † ‡

180-360 (7-14)

300-510 (12-20)

400-610 (16-24)

Generalmente, el concreto muy seco y rígido no responde bien a los vibradores internos. Mientras que el vibrador esté operando en el concreto. Distancia en la cual el concreto se consolida totalmente. Asuma que el espaciamiento de inserción es cerca de 11⁄2 veces el radio de acción y que el vibrador opera dos tercios del tiempo de colocación del concreto. Estos rangos reflejan no solamente la capacidad del vibrador, pero también las diferencias en la trabajabilidad de la mezcla, grado deseado de retirada del aire y otras condiciones experimentadas en la construcción. Adaptado del ACI 309.

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Capítulo 11 ◆ Colado y Acabado del Concreto tocar las barras de refuerzo con este propósito, pues se pueden dañar los vibradores. La revibración del concreto previamente compactado se puede realizar en el concreto fresco y en la capa inferior que se haya parcialmente endurecido. La revibración se utiliza para mejorar la adherencia entre el concreto y las barras de refuerzo, liberar el agua atrapada bajo las varillas de refuerzo horizontales y remover vacíos de aire atrapados. En general, si el concreto se vuelve trabajable bajo la revibración, esta práctica no es perjudicial y puede ser benéfica.

vibradores no se deben utilizar para mover el concreto horizontalmente, pues pueden causar segregación. Siempre que posible, el vibrador se debe bajar verticalmente en el concreto con espaciamientos regulares, bajo la acción de la gravedad. Debe penetrar hasta el fondo de la capa que se esté colocando y, por lo menos, hasta 150 mm (6 pulg.) dentro de cualquier capa colada anteriormente. La altura de cada capa debe ser aproximadamente la longitud de la cabeza del vibrador o, generalmente, no superior a 500 mm (20 pulg.) en cimbras regulares. En losas delgadas, se debe inserir el vibrador inclinado u horizontalmente, a fin de que se mantenga la cabeza del vibrador completamente inmersa. Sin embargo, no se debe arrastrar el vibrador aleatoriamente en la losa. En losas sobre el terreno, el vibrador no debe entrar en contacto con la subrasante. La distancia entre las inserciones debe ser cerca de 11⁄2 veces el radio de acción, pa0ra que el área visiblemente afectada por el vibrador traslape en unos pocos centímetros (pulgadas) el área adyacente, previamente vibrada. El vibrador se debe mantener estacionario hasta que se obtenga la consolidación adecuada y luego se lo debe retirar lentamente. El tiempo de inserción de 5 a 15 segundos normalmente provee una consolidación apropiada. El concreto se debe mover para llenar los huecos dejados por la retirada del vibrador. Si los huecos no se llenan, la reinserción del vibrador en un punto cerca debe resolver el problema. La adecuación de la vibración se juzga por la experiencia y por los cambios en la apariencia de la superficie del concreto. Los cambios que se deben observar son la inmersión de partículas grandes de agregado, la nivelación general de la superficie, la aparición de una película fina de mortero sobre la superficie y la interrupción de la subida de burbujas grandes de aire atrapado hacia la superficie. Los vibradores internos pueden afectar considerablemente el sistema de aire incluido en concreto (Stark 1986 y Hover 2001). Una orientación detallada sobre la vibración adecuada se debe seguir (ACI comité 309). Permitir que el vibrador se quede inmerso en el concreto después que la pasta se haya acumulado sobre la cabeza es una mala práctica y puede resultar en falta de uniformidad. El periodo de tiempo que se debe dejar el vibrador en el concreto dependerá de la trabajabilidad del concreto, de la potencia del vibrador y de la naturaleza de la sección que se vaya a compactar. En secciones densamente reforzadas, donde no se puede inserir el vibrador interno, algunas veces es útil la vibración de las barras de refuerzo fijándose un vibrador de cimbras a las porciones expuestas de las varillas. Esta práctica elimina el aire y el agua atrapados bajo las barras de refuerzo (armadura) y aumenta la adherencia entre las barras y el concreto a su alrededor. Se debe utilizar este método sólo si el concreto aún es trabajable bajo la acción del vibrador. Los vibradores internos no se deben fijar o

Vibración Externa. La vibración externa consiste en vibradores de cimbras (encofrados), mesas vibratorias o vibradores de superficie, tales como las plantillas vibratorias, vibradores de placa plantillas de rodillos vibratorios o llanas manuales vibratorias. Los vibradores de cimbras, diseñados para que se fijen con seguridad en la parte de fuera de la cimbra, son especialmente útiles: (1) para consolidar concreto en miembros que son muy delgados o congestionados con refuerzo, (2) para suplementar la vibración interna y (3) para mezclas rígidas, cuando los vibradores internos no se pueden utilizar. Generalmente la fijación de un vibrador de cimbra directamente a la cimbra no es una práctica satisfactoria. Tal vez, se deba fijar el vibrador en una placa de acero, la cual se sujeta a una viga I de acero o a canales que pasan a través de los atiesadores de la cimbra en tramos continuos. Las fijaciones sueltas pueden resultar en pérdidas de energía de vibración considerables y en consolidación inadecuada. Los vibradores de cimbras pueden ser tanto eléctricos como neumáticos. Se los debe espaciar para que se distribuya uniformemente la intensidad de vibración por toda la cimbra. El espaciamiento ideal se determina a través de experimentación. Para que se obtengan los mejores resultados, algunas veces, puede ser necesaria la operación de algunos de los vibradores de cimbra en frecuencias diferentes y, por lo tanto, se recomienda que los vibradores de cimbra sean equipados con controles para que se regulen la frecuencia y la amplitud. La duración de la vibración externa es considerablemente más larga que la vibración interna – normalmente entre 1 y 2 minutos. Un tacómetro puede no solamente determinar la frecuencia de vibración como también estimar aproximadamente la amplitud, a través de la oscilación de la varilla en varios puntos de la cimbra. Esto ayuda a identificar puntos muertos o áreas con deficiencia de vibración. Se puede usar un gráfico de vibración si hay necesidad de medidas de frecuencia y amplitud más precisas. Los vibradores de cimbra no se deben aplicar a lo largo de la parte superior (cerca de un metro o una yarda) de la cimbra. La vibración de la parte superior de la cimbra, principalmente si la cimbra es delgada o no es suficientemente rígida, causa un movimiento hacia adentro y afuera que puede criar un hueco entre el con235


Diseño y Control de Mezclas de Concreto

EB201

creto y la cimbra. Los vibradores internos se recomiendan para el empleo en esta área de las cimbras verticales. Los vibradores, como las mesas vibratorias, se usan en plantas de elementos prefabricados (premoldeados, precolados). Deben estar equipados con controles para que se pueda variar la frecuencia y la amplitud, de acuerdo con el tamaño del elemento a colar y de la consistencia del concreto. Las mezclas más rígidas requieren frecuencias más bajas (menor que 6000 vpm) y amplitudes mayores (mayor que 0.13 mm [0.005 pulg.]) que las mezclas más trabajables. El aumento de la frecuencia y la disminución de la amplitud, a medida que la vibración progresa, mejorarán la consolidación. Los vibradores de superficie, como las plantillas vibratorias (Figs. 11-12, 11-13 y 11-14), se usan para consolidar concreto en pisos y superficies planas. La plantilla

Fig. 11-14. Un nivel a láser simulando los sensores sobre esta plantilla guía el operador a medida que nivela el concreto. Las extremidades de la plantilla y la canasta son necesarios y se necesita de menos trabajadores para la colocación del concreto. Las plantillas a láser con una estación completa de equipos de topografía también pueden nivelar superficies inclinadas de concreto. (69939)

vibratoria provee un control eficiente de las operaciones de nivelación y ahorran una gran cantidad de trabajo. Cuando se utiliza este tipo de equipo, el concreto no debe tener revenimiento (asentamiento) mayor que 75 mm (3 pulg.). En concretos con este revenimiento, se debe tener cuidado, pues la vibración de la superficie de este tipo de concreto resulta en acumulación excesiva de mortero y material fino sobre la superficie, reduciendo la resistencia al desgaste. Por la misma razón, los vibradores de superficie no se deben operar después que se haya consolidado el concreto adecuadamente. Como los vibradores de superficie de losas de concreto son menos eficientes a lo largo de los bordes, se debe usar un vibrador de inmersión en esta área, inmediatamente antes de la aplicación de la plantilla vibratoria. Las plantillas vibratorias se usan para consolidar losas de hasta 250 mm (10 pulg.) de espesor, desde que estas losas no sean reforzadas o sólo tengan poco refuerzo (malla de alambre soldado). Se recomienda la vibración interna o la combinación de vibración interna y de superficie para losas reforzadas. Se puede obtener información más detallada sobre vibración interna y externa en el ACI comité 309.

Fig. 11-12. Las plantillas vibratorias, tales como la unidad de armadura, reducen el trabajo de nivelación mientras que consolidan el concreto. (55801)

Consecuencias de la Vibración Inadecuada. A seguir se presentan los peores defectos causados por la falta de vibración: (1) agujero, (2) cantidad excesiva de aire atrapado, (3) rayado de arena, (4) juntas frías, (5) líneas de colocación y (6) agrietamiento por sedimentación o asentamiento. El agujero resulta cuando el espacio entre las partículas de agregado grueso no se llena con el mortero. Sus causas pueden ser equipo defectuoso, procedimientos

Fig. 11-13. Cuando las tolerancias de las losas no son muy estrictas, un operador experimentado usando esta plantilla vibratoria, no necesita que las extremidades de la plantilla sean soportadas por canastas. En este caso, visualmente combina elevaciones dejadas por las cimbras o pasadas anteriores. El proceso se llama nivelación mojada. (69938) 236


Capítulo 11 ◆ Colado y Acabado del Concreto mente la nivelación y el enrasado, mientras que se pueden especificar el escobillado (cepillado) emparejado o alisado de otras superficies. Más detalles se presentan en el ACI comité 302, Kosmatka (1991), Panarese y Tanesi (2003), PCA (1980a) y Farny (2001). El mezclado, transporte y manoseo del concreto para losas se deben coordinar cuidadosamente con las operaciones de acabado. No se debe colocar el concreto sobre el terreno o dentro de las cimbras más rápidamente que se lo pueda extender, nivelar, consolidar y aplanar. En realidad, el concreto no se debe extender sobre un área extremamente grande antes de la nivelación, ni se debe nivelar un área muy grande y permitir que el agua de sangrado se acumule antes del aplanado. Los grupos de acabado deben ser suficientemente grandes para colocar, acabar y curar adecuadamente las losas de concreto, considerándose los efectos de la temperatura de concreto y de las condiciones atmosféricas sobre el tiempo de fraguado del concreto y el tamaño del colado que se realizará.

inadecuados de colocación, un concreto que contenga mucho agregado grueso o congestionamiento de refuerzo. La cantidad excesiva de aire atrapado es similar al agujero, pero no tan severa. Los equipos vibratorios y los procedimientos de operación son sus causas principales, pero las otras causas de agujeros también se aplican. El rayado de arena ocurre cuando el sangrado (exudación) excesivo retira el mortero a lo largo de la cimbra. Una mezcla áspera con trabajabilidad deficiente por falta de mortero o de agregado fino puede causar el rayado de arena. Además, la segregación causada por el golpeo del refuerzo sin la vibración adecuada también puede contribuir para este tipo de defecto. Las juntas frías son discontinuidades resultantes del retraso en la colocación que permite que una capa se endurezca antes de la colocación de la capa adyacente. Esta discontinuidad puede reducir la integridad estructural del miembro de concreto si las capas sucesivas no se unen adecuadamente. Se puede mantener el concreto vivo a través de la revibración a cada 15 minutos o menos, dependiendo de las condiciones de la obra. Sin embargo, una vez que se aproxime el momento del inicio del fraguado, se debe interrumpir la vibración y la superficie se debe preparar apropiadamente para recibir el concreto. Las líneas de colocación o las líneas de vertido son líneas oscuras entre la colocación de amasadas (revolturas) adyacentes. Pueden ocurrir si, durante la vibración de la capa superior, el vibrador no penetre suficientemente en la capa inferior para que se entrelacen las capas. El agrietamiento (fisuración) por asentamiento puede ocurrir cerca del inicio del fraguado cuando el concreto se asienta o sedimenta sobre el acero de refuerzo, en elementos relativamente profundos que no hayan sido adecuadamente vibrados. En la revibración, al penetrar el vibrador en el concreto por su peso propio, por última vez, puede eliminar estas fisuras. Los defectos resultantes de la vibración excesiva son: (1) segregación, pues la vibración y la gravedad hacen con que los agregados más pesados se sedimenten, mientras que los agregados más ligeros suban, (2) rayado de arena, (3) pérdida de aire incluido en el concreto con aire incorporado, (4) flecha (deflexión) excesiva de la cimbra o daño de la cimbra y (5) falla de la cimbra, causada por la presión excesiva resultante de la vibración del mismo local por mucho tiempo o por una velocidad más elevada de colocación del concreto que la tasa de diseño. La falta de vibración es un problema más común que la vibración excesiva.

Preparación de la Subrasante Las fisuras, asentamiento de la losa y fallas estructurales frecuentemente son resultantes de la preparación inadecuada y de la mala compactación de la subrasante. La subrasante sobre la cual se vaya a colocar una losa debe ser bien drenada, con capacidad de soporte uniforme, nivelada o adecuadamente inclinada y libre de césped, materia orgánica e hielo. Las tres mayores causas de falta de uniformidad de soporte son: (1) presencia de suelos suaves, instables y saturados o suelos pedregosos, (2) relleno sin la compactación adecuada y (3) suelos expansivos. El soporte uniforme no se puede lograr solamente vertiéndose material granular sobre el área suave. Las áreas suaves o con suelos saturados y puntos duros (pedregosos) se deben excavar y rellenar con un suelo similar a la subrasante circundante o con material granular tal como la arena, la grava o piedra triturada, caso no haya disponibilidad de un suelo similar, a fin de prevenirse la fisuración por asentamiento y por falta de soporte. Todos los materiales de relleno se deben compactar para proporcionar el mismo soporte uniforme del resto de la subrasante. La prueba con el camión basculante totalmente cargado u otro equipo igualmente pesado, normalmente se usa para identificar áreas con suelos instables que necesitan de una atención adicional. Durante la preparación de la subrasante, se debe recordar que el suelo sin alteración generalmente proporciona un mejor soporte para losas que el material compactado. Los suelos expansivos, compresibles y potencialmente problemáticos se deben evaluar por un ingeniero geotécnico y se puede requerir un diseño especial de la losa. La subrasante se debe humedecer con agua antes de la colocación del concreto, pero no debe contener charcos

LOSAS DE CONCRETO Las losas de concreto se pueden acabar de muchas maneras, dependiendo del uso en servicio que se desee. Se pueden solicitar varios colores y texturas, tales como el agregado expuesto o la superficie estampada. Para obtenerse el perfil y nivel adecuados, algunas superficies pueden requerir sola237


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EB201 suelo y la losa, (3) proporcionar drenaje para la subbase granular, previniendo la acumulación de agua debajo de la losa, (4) instalando tubos de desagües (drenes) en la cimentación (cimiento, fundación) e (5) instalando retardadores de vapor, normalmente una lámina de polietileno. Por muchos años, los retardadores de