Manual de Agregados para el Hormigón

MANUAL DE AGREGADOS PARA EL HORMIGÓN
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN 1
_______________________________________________________________________________________________
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE MINAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
MANUAL DE AGREGADOS PARA EL
HORMIGON
SEGUNDA EDICION
Orlando Giraldo Bolívar I.C.
Profesor Asociado
Medellín
2003
______________________________________________________________________________________________
ORLANDO GIRALDO BOLIVAR
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
2003
MANUAL DE AGREGADOS PARA EL HORMIGÓN
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN 1
INDICE
1
GENERALIDADES
1.1 Definiciones
1.2 Importancia en el hormigón
1.3 Clasificación
1.3.1 Método de Extracción
1.3.2 Densidad
1.3.3 Tamaño de las partículas
1.3.4 Según su forma
1.3.5 Según su textura
1.3.6 Explotación industrial
2
PROPIEDADES QUIMICAS Y MECANICAS
2.1 Propiedades Químicas
2.1.1 Reacción álcali-agregado
2.2 Propiedades mecánicas
2.2.1 Resistencia
2.2.2 Tenacidad
2.2.3 Adherencia
2.2.4 Dureza
3
PROPIEDADES FISICAS
3.1 Impurezas
3.1.1
Ensayo de impurezas orgánicas
3.1.2
Ensayo de porcentaje de lodos
3.2 Distribución granulométrica
3.3 Densidad, Gravedad especifica y % de absorción
3.4 Masas Unitarias y % de vacíos entre partículas
3.5 Humedad superficial en agregados
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1
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN 1
GENERALIDADES
1.1 Definiciones
Los agregados, también llamados áridos, son materiales de forma granular de
origen natural o artificial ( los mas frecuentes son los de origen pétreo aunque
algunos
materiales
sintéticos
como
las
escorias
granuladas,
limaduras
metálicas, poliuretanos se han usado eficientemente ) que constituyen entre el
65 y el 85 % del volumen total del hormigón y que aglomerados por el
cementante, conforman el esqueleto pétreo o granular del hormigón. Su estudio
esta mas que justificado porque de sus propiedades dependen las que tienen
que ver con la resistencia, rigidez y durabilidad del hormigón.
Como
agregados
para
hormigón
se
pueden
considerar
todos
aquellos
materiales que teniendo una alta resistencia mecánica, no alteran ni afectan las
propiedades
y
características
del hormigón y garantizan una adherencia
suficiente con la pasta endurecida de cementante.
En general, la mayoría de los agregados no desarrollan ningún tipo de
reacciones con los otros constituyentes del hormigón, especialmente con el
cementante; sin embargo, hay algunos tales como: las escorias de alto horno,
los materiales de origen volcánico con sílice activa, y el ladrillo triturado cuya
fracción más fina presenta actividad en virtud de sus propiedades hidráulicas,
que interfieren el desarrollo temporal de la resistencia mecánica, característica
fundamental del hormigón endurecido.
1.2 Importancia en el hormigón
Son varias las razones por las cuales los agregados deben estar presentes en
una mezcla de hormigón: economía, manejabilidad, durabilidad, resistencia,
densidad, acabado.
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a) Economía: porque en un determinado volumen de mezcla parte del
cementante se reemplaza por agregados los cuáles tienen por lo general
un menor costo que el cemento calcáreo.
b) Manejabilidad: cuando la mezcla se encuentra en estado plástico las
proporciones del agregado dentro de la misma juegan un papel
importante en cuanto a la facilidad de colocación y compactación
especialmente la fracción más fina, la cual en combinación con la pasta
cementante actúa como lubricante de las partículas más gruesas y
permiten lograr la manejabilidad requerida.
c) Control de cambios volumétricos: durante el proceso de fraguado del
hormigón, al pasar la mezcla del estado plástico al estado endurecido, la
pasta cementante se contrae debido a la pérdida de humedad, lo cual
trae como consecuencia la presencia de fisuras.
Este efecto es
controlado por los agregados, ya que la textura superficial de estos al
mezclarse con la pasta genera una superficie de adherencia que
disminuye la contracción.
d) Resistencia estructural: cuando el hormigón se encuentra en el estado
endurecido y ha adquirido su resistencia mecánica, esta se debe a la
capacidad aglutinante de la pasta de cemento, que en combinación con
los agregados forma el sólido. Parte de esta resistencia es aportada por
el agregado, el cuál tienen su propia capacidad mecánica, tabla1.1.
e) Densidad: la densidad del hormigón depende prácticamente de la
densidad de los agregados que lo constituyen ( ver tabla 1.2 ). Ya que la
densidad de estos últimos depende del tipo de roca de donde provienen
y de su grado de porosidad interior y exterior es importante considerar
varias definiciones relativas a esta propiedad que tienen en cuenta estas
características particulares.
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Tabla 1.1. Propiedades del agregado y resistencia del hormigón(2)
EFECTOS RELATIVOS DE LAS PROPIEDADES DEL AGREGADO.( % )
PROPIEDADES DEL
HORMIGON
FORMA
TEXTURA SUPERFICIAL
MODULO DE
ELASTICIDAD
Resistencia a la flexión
31
26
43
Resistencia a la compresión
22
44
34
NOTA: Los valores representan la relación de la variación debida a cada una de las
propiedades, respecto a la variación total tomada en cuenta para las tres características del
agregado en la prueba de tres mezclas hechas con trece agregados.
•
Densidad real ( Absoluta ) :
volumen
que
ocupa
Es la relación entre la masa del material y el
excluyendo
todos
los
poros
(saturables
y
no
saturables).
•
Densidad aparente:
Es la relación entre la masa del material y el volumen
que ocupa incluyendo solo los poros saturables ( superficiales ).
•
Densidad en bruto:
Es la relación entre la masa del material y el volumen
que ocupa incluyendo todos los poros (saturables y no saturables). Esta es
la que se usa para determinar la cantidad de agregado requerido para un
volumen unitario de hormigón.
e) Durabilidad:
De igual manera que el hormigón puede soportar
condiciones extremas de exposición, los agregados como constituyentes
de él, contribuyen a lo mismo, teniendo como función transferir sus
propiedades de resistencia a exposición severa a la masa de hormigón.
f) Acabado:
Los agregados permiten un acabado en la superficie acorde
con la textura deseada, lo cual cobra mucha importancia en la
elaboración
de
los
hormigones
arquitectónicos
y
hormigones
de
agregado expuesto en los cuales incide la forma, textura, color y tamaño
de los agregados.
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Tabla 1.2. Densidad en bruto de diversos tipos de rocas(2).
NOMBRE
Densidad promedio, Mg/m 3.
Rango de variación, Mg/m 3.
Basalto
2.80
2.60 - 3.00
Pedernal
2.54
2.40 - 2.60
Granito
2.69
2.60 - 3.00
Arenisca
2.69
2.60 - 2.90
Hornblenda
2.82
2.70 - 3.00
Caliza
2.66
2.50 - 2.80
Porfido
2.73
2.60 - 2.90
Cuarzita
2.62
2.60 - 2.70
1.3 Clasificación
1.3.1
•
Método de Extracción
Agregados naturales:
Son los agregados que provienen de la explotación
de fuentes naturales tales como depósitos fluviales (arenas y gravas de
ríos) o de glaciales y de canteras de diversas rocas. Se pueden aprovechar
en su gradación natural o triturándolos mecánicamente, según sea el caso,
de acuerdo con las especificaciones requeridas, dependiendo del tipo de
hormigón que se desea fabricar.(7)
•
Agregados artificiales:
Estos agregados se obtienen a partir de productos y
procesos industriales tales como escorias de alto horno, clinker, limaduras
de hierro, cenizas del carbón, aserrín y viruta, poliuretanos.
1.3.2
Densidad
Los agregados se clasifican según su densidad en pesados, livianos y
normales. Los agregados pesados tiene una densidad entre 2,9 y 6.0 Mg / m3 y
generalmente están compuestos de minerales de hierro ( Magnetita, pirita,
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ilmenita ); los livianos son de origen volcánico y tienen densidades entre 0.2 y
1.6 Mg / m3 ( arcilla expansiva, pumicita, esquistos); los normales provienen de
las rocas superficiales y tienen densidades entre 2.4 y 2.8 Mg / m3 ( cuarzos,
calizas, granitos ). En el estudio de los morteros y hormigones de cemento
calcáreo es frecuente utilizar los agregados pétreos de origen superficial sean
estos provenientes de fuentes aluviales o de plantas de trituración. Según la
densidad del agregado los hormigones se clasifican en livianos, pesados y
normales, siendo estos últimos los de uso continuo.
1.3.3 Tamaño de las partículas
La forma más generalizada de clasificar los agregados es según su tamaño, el
cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros en su
sección transversal.
Esta distribución de tamaños se conoce como distribución
granulométrica y es la base de la fabricación de morteros y hormigones. La
clasificación más común es la que se muestra en la tabla 1.3, donde se indican
los nombres más usuales de las fracciones y su utilización como agregados
para hormigón.
Tabla 1.3. Clasificación general del agregado según su tamaño.
UTILIZACION DEL AGREGADO
TAMAÑO DE LAS
DENOMINACION
CLASIFICACION
EN EL HORMIGON
Inferior a 0.002 mm
Arcilla
Fracción muy fina
No recomendable
0.002 mm - 0.074 mm
Limo
Fracción muy fina
Recomendable hasta un %
PARTICULAS, mm
definido
0.074 mm - 4.76 mm
Arenas
Agregado fino
Material apto para hormigones y
morteros
4.76 mm - 19.1 mm
Grava ¾"
Agregado grueso
Material para hormigón armado y
pretensado
19.1 mm - 50.8 mm
Grava 2"
Agregado grueso
Material para hormigón armado
en cimentaciones
Superior a 50.8 mm
Piedra
Agregado grueso
Material para hormigón sin
refuerzo
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1.3.4 Según su forma
Los agregados procedentes de rocas naturales, sometidos a un proceso de
trituración y clasificación tienen formas que varían desde cúbicas o poliédricas
a las esquirlas alargadas o laminares aplanadas, o las de forma de cascos.
Mientras los agregados de río o depósitos aluviales tienen formas redondeadas
o aplanadas.
Tabla 1.4. Clasificación de los agregados según su forma(2).
CLASIFICACION
Redondeadas.
Irregular
DESCRIPCION
EJEMPLO
Totalmente desgastadas por el agua o
Gravas de río o de playa, arenas
completam ente formadas por fricción
del desierto
Irregulares por naturaleza parcialmente Otras gravas; pizarra de
formadas por fricción o con bordes superficie o subterránea.
redondeados.
Escamosa
Materiales cuyo espesor es pequeño en Roca laminada.
comparación
con
sus
otras
dos
dimensiones.
Angular
Con bordes bien definidos, formados en Rocas trituradas de todo tipo y
las
intersecciones
de
caras escoria triturada.
aproximadamente planas.
Alargada
Material que suele ser angular, cuya
Se encuentra en algunos
longitud es bastante mayor que las otras depósitos naturales en forma de
dos dimensiones.
Escamosa y alargada
lajas.
Material cuya longitud es bastante mayor
Agregados de rocas
que el ancho y el ancho bastante mayor
meteorizadas
que el espesor.
1.3.5
Según su textura
La textura es el estado de pulimento o degradación en que se encuentra la
superficie del material. Incide notablemente en las propiedades del hormigón
especialmente en la adherencia entre las partículas del agregado y la pasta de
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cemento además de influir en las condiciones de fluidez mientras la mezcla se
encuentra en estado plástico.
Tabla 1.5 Textura superficial de los agregados(2)
GRUPO
TEXTURA SUPERFICIAL
CARACTERISTICAS
1
Vítrea
Fractura concoidal
2
Lisa
Desgastada por el agua o lisa debido a fractura de roca
laminada o de grano fino.
3
Granular
Fractura que muestra granos mas o menos redondeados en
forma uniforme.
4
Aspera
Fractura áspera de granos finos o medianos que contengan
parte cristalinas difíciles de detectar.
5
Cristalina
6
En forma de panal
Con partes cristalinas fáciles de detectar.
Con cavidades y poros visibles
1.3.6 Explotación industrial
FIGURA 1.1 Lago de explotación agregados de origen aluvial
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FIGURA 1.2 Acarreo del agregado en la planta
Mediante bandas transportadoras se realiza la operación de transporte
y clasificación del material en la planta
FIGURA 1.3 Clasificación del agregado.
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El agregado es sometido a un proceso de trituración y clasificación
para su distribución a los centros de dosificación del hormigón
FIGURA 1.4 Planta de trituración y clasificación
FIGURA 1. 5 Proceso de explotación del agregado de cantera
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PROPIEDADES QUIMICAS Y MECANICAS
2.1
Propiedades Químicas
2.1.1 Reacción álcali-agregado
Esta es la reacción destructiva más común entre el agregado y la pasta de
cemento y se debe a la activación retardada de la sílice amorfa presente en
algunas variedades de agregados con los componentes alcalinos de la pasta
de cemento.
La reacción comienza con el ataque de los hidróxidos alcalinos
derivados de los álcalis (Na2O y K2O) del cemento contra los minerales síliceos
del agregado.
Esta reacción que es de tipo sólido-líquido produce un gel que
aumenta de volumen a medida que absorbe agua, con lo cual aparecen
presiones internas en el hormigón que conduce primero a la expansión,
fisuración y finalmente ruptura de la pasta de cemento. Esta reacción se debe
primordialmente a la alta concentración de iones de hidróxido en la solución de
los poros.
Tabla 2.1 Rocas potencialmente reactivas con los álcalis del cemento(4)
GRUPO REACTIVO
TIPO REACCION
1. Diversas rocas ígneas, sedimentarias y
metamórficas que contienen formas de sílice
Álcali-sílice
reactiva (vítrea, criptocristalina, microcristalina o
cristalina intensamente deformada.
2. Algunas rocas sedimentarias carbonatadas,
que contienen dolomita y minerales a rcillosos.
Álcali-carbonato.
3. Ciertas rocas metamórficas que contienen
filos silicatos, de estructura foliada-reticular.
Álcali-silicato.
En Colombia la reacción se ha detectado con algunos agregados calizos de la
costa
Atlántica
(
Calcáreos)
y
en
agregados
siliceos
del
sureste
del
departamento de Antioquia, lo mismo que en el viejo Caldas. Aun falta
investigar mas para zonificar fuentes potencialmente reactivas.
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2.2
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Propiedades mecánicas
2.2.1 Resistencia
Por lo general en los agregados las partículas tienen una resistencia superior a
la de la pasta de cemento, por lo que la resistencia del hormigón no se ve muy
afectada por la resistencia del agregado; sin embargo la resistencia del
agregado cobra importancia cuando este falla antes que la pasta de cemento
endurecida, bien sea por que se tiene una estructura pobre entre los granos
que constituyen las partículas durante el proceso de explotación o por un
inadecuado
proceso
de
trituración
cuando
se
trata
de
conseguir
una
determinada granulometría.
Tabla 2.2 Resistencia a compresión de rocas utilizadas comúnmente como
agregados para hormigón(2)
RESISTENCIA A LA COMPRESION
TIPO DE ROCA
NUMERO DE
( PROMEDIO**)
MUESTRAS*
Kgf/cm 2
MPa
Granito
2.78
1842
181
Felsita
12.0
3304
324
Trapa
59.0
2890
283
Caliza
241.0
1617
159
Arenisca
79.0
1336
131
Mármol
34.0
1188
117
Cuarzita
26.0
2566
252
Gneis
36.0
1498
147
Esquisto
31.0
1730
170
* Para la mayoría de las muestras la resistencia a la compresión se promedia entre 3 y 15
muestras.
** Promedio de todas las muestras.
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2.2.2
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Tenacidad
Llamada también resistencia a la falla por impacto la cual tiene mucho que ver
con el manejo de los agregados en la planta, ya que si estos son débiles ante
las cargas de impacto que se generan durante su transporte y disposición se
puede alterar su granulometría, a parte de indicar una baja resistencia para ser
utilizadas en hormigón.
2.2.3 Adherencia
La adherencia se debe a fuerzas de origen físico-químico que ligan las
partículas del agregado con la pasta de cemento.
La adherencia juega un
papel muy importante dentro de la masa de hormigón, debido a que cuando
esta interacción es lograda a través de una buena traba entre los agregados y
la pasta de cemento la resistencia del hormigón es mayor.
2.2.4 Dureza
Cuando el hormigón va a estar sometido a desgaste por abrasión (pisos y
carreteras), los agregados que se utilicen en su fabricación deben ser duros.
La dureza es una propiedad que depende de la constitución mineralógica, la
estructura y la procedencia de los agregados.
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PROPIEDADES FISICAS DE LOS AGREGADOS
3.1
IMPUREZAS
Son todas aquellas partículas, presentes en el agregado, que modifican el
proceso de hidratación del cemento ya sea retardando o acelerando el
fraguado y la ganancia de resistencia con el tiempo, o lo que es más grave
inhibiendo estos procesos. En general se pueden encontrar los siguientes tipos
de impurezas:
•
De origen Orgánico: con esta denominación se conocen todos aquellos
contaminantes
presentes
en
el
agregado
y
que
provienen
de
la
descomposición de material vegetal como por ejemplo, hojas, tallos y
raíces; las cuáles se manifiestan en forma de humus (capa superior del
suelo rica en materia orgánica). Estas partículas interfieren con las
reacciones químicas de hidratación retardando el fraguado y en algunos
casos inhibiéndolo. Hay más probabilidad de encontrar este tipo de
impurezas en la arena que en la grava la cual se lava fácilmente.
•
Finamente divididas ( lodos ): con esta denominación se definen tres tipos
de impurezas: a) arcillas, b) limos y c) material fino de trituración.
•
Aglutinante
Recubrimiento de arcilla
Agregado
FIGURA 3.1 Recubrimiento superficial en agregados.
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a) Las arcillas son materiales que proviene de la meteorización de rocas
alcanzando tamaños menores de 20µ.
Presenta efectos perjudiciales en el
hormigón por que impide los enlaces entre la pasta de cemento y los
agregados. La arcilla se puede presentar en los agregados en forma de
recubrimiento
superficial
reduciendo
así
la
resistencia
y
durabilidad
del
hormigón; por otra parte, si se trata de una arcilla expansiva se puede generar
un problema adicional cuando el hormigón se humedece y las partículas de
arcilla se expanden generando tensiones de tracción dentro de la masa de
hormigón endurecido, que pueden conducir a fallas según sea el contenido es
estas partículas.
b) Los limos son materiales con tamaño entre 20µm y 60µm que han sido
reducidos a este tamaño por procesos naturales de intemperismo.
c) Los finos de trituración son materiales que se desprenden de la roca durante
el proceso de transformación de la piedra natural en gravas o arenas.
Si los
limos y polvos de trituración se encuentran en alta proporción en los agregados
el requerimiento de agua aumenta y por lo tanto el contenido de cemento para
una misma relación agua/cemento debido a su mayor finura.
TABLA 3.1. Rangos de los tamaños de impurezas finamente divididas.
NOMBRE
Arcilla
Limo
TAMAÑO
< 20µ
20µ a 75µ
EFECTO
•
Afecta la adherencia
Finos de trituración
>75µ
A mayor presencia se aumenta la cantidad de agua requerida.
Grumos o terrones de arcilla. Son partículas que no pueden mantener su
integridad cuando se someten a una ligera presión de contacto entre ellas
están los terrones de arcilla y algunas inclusiones blandas como son la
madera y el carbón; los cuales si se encuentran presentes en grandes
cantidades pueden afectar adversamente la resistencia del hormigón ya que
a mayor cantidad de material fino aumenta la cantidad de agua absorbida,
disminuyendo la resistencia.
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•
Partículas reactivas.
marcasitas,
las
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Son impurezas reactivas las piritas de hierro y las
cuales
representan
frecuentes en el agregado.
las
inclusiones
expansivas
más
Estos sulfuros reaccionan con el agua y el
oxígeno del aire para formar sulfato ferroso, que posteriormente se
descompone para formar el hidróxido, mientras los iones de sulfato
reaccionan con los aluminatos de calcio del cemento.
Lo cual puede dar
como resultado manchas en el hormigón y rotura de la pasta de cemento.
•
Partículas livianas. Dentro de los materiales livianos se considera el carbón
finamente dividido, la mica y otros materiales de baja densidad.
Si el
agregado contiene carbón en grandes cantidades y en forma finamente
dividida se puede alterar el proceso de endurecimiento de la pasta de
cemento.
Se debe evitar la presencia de mica en el agregado fino ya que
esta aumenta la cantidad de agua requerida y en consecuencia disminuye
la resistencia del hormigón.
3.1.3
Ensayo de impurezas orgánicas NTC-127 ( ASTM C-40 )
Con este ensayo se determina en forma aproximada ( mediante examen visual
) la presencia de material orgánico en arenas usadas para la preparación de
morteros y hormigones.
El ensayo consiste en detectar la presencia del ácido tanino ( proveniente de la
descomposición del material orgánico ) atacando el agregado con una solución
de baja concentración de hidróxido de sodio ( NaOH).
Esta prueba se conoce
también como el ensayo de neutralización porque realmente lo que se hace es
neutralizar el ácido con una sal.
Para el ensayo se utiliza un frasco graduado de vidrio o plástico con capacidad
de 350 ml. El frasco se llena con el agregado hasta un nivel de 120ml, luego se
añade al frasco la solución de hidróxido de sodio previamente preparada con
una concentración del 3% ( generalmente se preparan 150 ml de solución que
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representan 145.5 ml de agua destilada y 4.5 g de Na(OH)) hasta que el nivel
de la solución llega a 200 ml.
Se tapa el frasco se agita vigorosamente para
permitir que la solución entre en contacto con todo el material y se deja en
reposo por 24 horas. Al final de este periodo de tiempo se observa la tonalidad
de la solución alcalina y se concluye su grado de contaminación.
1. Se forma una pila con el agregado
1
3
2
4
2. Se forma una superficie circular, se divide en
cuatro porciones y se toman para el ensayo las
porciones 1 y 4 ó 2 y 3.
FIGURA 3.2 Cuarteo manual
•
Cálculos y resultados.
En este ensayo no se realizan cálculos, sólo se
observa la coloración de la solución al final del periodo de reacción.
Análisis de resultados:
Para el análisis de los resultados se tiene la tabla 3.2
en la cual se considera que el contenido de materia orgánica no es perjudicial
si el ensayo da un índice de color de 3 o inferior en el número de referencia. Si
se obtiene un valor por encima de 3 no indica necesariamente que el agregado
contenga
materia
orgánica,
por
lo
cual
se
debe
realizar
otro
ensayo
complementario con la muestra de acuerdo a la NTC-579, Efecto de las
impurezas orgánicas del agregado fino sobre la resistencia de morteros y
hormigones.
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TABLA 3.2. Valores de contenido de materia orgánica en el agregado fino
COLOR
NUMERO DEL COLOR
NUMERO DE
NORMAL DE GARDNER
REFERENCIA
DESCRIPCION
ORGANICA
Igual de la solución.
Material que se puede usar
5
1
Amarillo
de alta resistencia.
Material que se puede usar
8
2
un hormigón de resistencia
normal.
Naranja.
Material
11
3
que
no
se
recomienda en hormigón
estructural.
Rojo claro
Material que se debe
14
4
NTC-579.
Rojo oscuro
16
Ejemplo.
descartar o evaluar según
5
Una muestra de agregado es sometida al ensayo de impurezas
orgánicas NTC-127, analizar resultados y dar recomendaciones
•
Materiales.
Arena:
1000 g
Agua destilada:
145.5 ml
Soda cáustica:
4.5 g
•
Datos:
•
Análisis de resultados.
Comparación a 24 h:
Color naranja, Nº3 ó Gardner # 11
Para la muestra de arena ensayada se obtiene un
color naranja cuyo número de referencia orgánica es 3 y color normal
Gardner 11.
Según el número de referencia hallado se puede indicar que la
cantidad de impureza orgánica presente no es perjudicial para el hormigón
en el que se emplee dicha arena, siempre y cuando no se le exija altas
resistencias mecánicas ( f'c > 28 MPa ).
•
Conclusión:
La cantidad presente de impureza orgánica en el agregado fino
(arena) no perjudicará las reacciones químicas de hidratación en la mezcla
de hormigón.
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3.1.4
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Ensayo de porcentaje de lodos NTC-78 ( ASTM C-117)
En esta prueba se determina el porcentaje de material que pasa el tamiz NTC
74µ en agregados para hormigón por el método del lavado. Durante el ensayo
las partículas finas
tales como: arcillas, agregados finos y materiales solubles
en el agua, " se separan " de la superficie del agregado, por lavado, y luego
estas se pasan el tamiz NTC 74µ (Nº 200).
1.19 mm
74 µ
FIGURA 3.3 Tamices utilizados en el ensayo de porcentaje de lodos
•
Preparación de la muestra.
Debe ser reducida por cuarteo hasta obtener
una cantidad adecuada para el ensayo (según tabla 4.3 de acuerdo al
tamaño máximo en el agregado).
El agregado debe ser humedecido y
mezclado para producir la mínima segregación y pérdida de finos.
El peso
de la muestra después del secado debe cumplir con lo especificado en la
tabla 4.3.
TABLA 3.3 Cantidad mínima de agregado según su tamaño máximo
TAMAÑO MAXIMO, mm
MASA MINIMA, g
2.38
100
4.76
500
9.51
2000
19.0
2500
> 38.1
5000
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•
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Cálculos y resultados.
% Absorción =
Donde,
•
(M i - M s )
* 100
Ms
Mi =
Masa inicial de la muestra seca, g
Ms =
Masa de la muestra seca después de lavada, g
Análisis de resultados.
El porcentaje de lodos presente en arenas para
fabricación de hormigón no debe exceder los valores dados en la tabla 3.4
Tabla 3.4. Contenido máximo de partículas de diámetro inferior a 74µ(1)
% MAXIMO DE LA MASA TOTAL DE LA MUESTRA
TIPO DE HORMIGON
PARA AGREGADOS FINOS
NATURAL
MANUFACTURADO
Hormigón de alta resistencia o sometido al desgaste
3%
5%
Hormigón normal
5%
7%
NOTA: En el caso de material manufacturado, se permiten estos límites siempre y cuando el polvo
proceda del proceso de trituración y se encuentre libre de arcilla o pizarra.
Ejemplo:. Determinación del % de lodos de una muestra de agregado fino
•
Datos:
•
Cálculos y resultados.
Mi = 500 g
Ms = 494 g
% Lodos =
•
(500 - 494)
*100 = 1.20%
500
Análisis de resultados: Según la tabla 3.4 se puede concluir que el % de
lodos hallado cumple con el rango especificado por la NTC-174, indicando
que es menor del 5%.
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3.2 Distribución granulométrica
3.2.1 Teoría general
El análisis granulométrico se define como el proceso de clasificación por
tamaños de una muestra de material utilizando para ello series de tamices
estándar que siguen un determinado patrón de formación. La serie mas
conocida en nuestro medio es la que ordena las mallas en forma de progresión
geométrica cuya razón es dos. Esta serie conocida como serie de Abrams o de
la ASTM parte de un tamaño inicial de agregado do = 3 / 1024 “ ( 0.0744 mm ) y
se prolonga hasta las 6 “ ( 76 mm ). La expresión 3.1 indica el enésimo termino
de una progresión geométrica de razón “ r “ y la tabla 3.1 muestra igualmente
los tamices generados con la expresión 3.1 y la designación de cada uno con el
criterio de numero de aberturas por pulgada lineal.
d n = do .r n = 0.0744 × 2 n
El “ n “ es la posición del tamaño de la abertura en la serie, por ejemplo el
quinto tamaño es la malla de abertura: 0.074 x 25 = 2.38 mm. El valor de “ n “
también representa el modulo de finura del agregado y en el ejemplo anterior el
material de 2.38 mm tiene un modulo de finura igual a 5. En la literatura técnica
existen
igualmente
otras
series
granulométricas
importantes
para
la
clasificación por tamaños de los agregados en el hormigón; la serie Francesa
Renard utiliza una razón igual al producto de [(10)0.1 x (10)0.1] = 1.58 y la serie
Británica cuya razón es (2 )0.25 = 1.19 la cual da mas cantidad de tamaños que
las dos anteriores.
En principio la primera clasificación por tamaño de un agregado para el
hormigón es la que lo divide solo en dos fracciones: una fina llamada arena que
por definición se define como todos los tamaños de agregado que sean
menores que 3 / 16 “ ( 4.76 mm ) y una fracción gruesa llamada grava que
contiene todos los tamaños superiores a este valor.
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Se reconoce además que
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esta primera clasificación no es suficiente para identificar la composición de un
agregado para el hormigón y es necesario conocer mas sobre el material. La
serie ASTM para los agregados finos permite obtener una buena estimación de
la composición por tamaños del material mientras que una modificación de la
serie ASTM para los agregados gruesos es mas conveniente ( incluyendo
tamaños intermedios) para lograr los mismos propósitos.
Tabla 3.5 Tamaños y designación de tamices ASTM ( ICONTEC )
Posición
Abertura
Abertura
Designación
Modulo de
(pulg. )
( mm)
tamiz
finura
0
3 / 1024
0.0744 ˜ 0.075
# 200
0
1
3 / 512
0.149 ˜ 0.150
# 100
1
2
3 / 256
0.298 ˜ 0.300
# 50
2
3
3 / 128
0.595 ˜ 0.600
# 30
3
4
3 / 64
1.196 ˜ 1.20
# 16
4
5
3 / 32
2.381 ˜ 2.40
#8
5
6
3 / 16
4.762 ˜ 4.80
#4
6
7
3/8
9.52 ˜ 9.5
3/8“
7
8
3/4
19.05 ˜ 19
3/4“
8
9
3/2
38.1 ˜ 38
1.5”
9
10
3
76.2 ˜ 76
3”
10
Entre el tamaño 6 y 7 se define un valor intermedio y es el tamiz de ¼” = 6.35
mm; entre el tamaño 7 y 8 se define el tamiz de ½” = 12.7 mm; entre el tamaño
8 y 9 se define el tamiz 1” = 25.4 mm y entre el 9 y 10 se define el 2” = 50.8
mm. estos valores intermedios no pertenecen a la serie original pero son
importantes para conocer mas datos de los tamaños gruesos del material.
La mejor manera de representar el estudio granulométrico de un agregado es
mediante la utilización de gráficos en los cuales las abscisas representan los
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tamaños del grano o los tamices y las ordenadas los porcentajes retenidos
acumulados o pasantes de cada fracción del material.
% retenido
acumulado
Arenas
Gravas
100
80
60
40
20
0.1
1.0
10
100
Tamaño
(mm)
Figura 3.4 Curvas granulométricas de agregados
El estudio y análisis de las graficas representadas en la figura 3.1 permite
visualizar en forma mas clara si la distribución de tamaños de las partículas se
ajusta a las especificaciones respectivas, si hay demasiados finos o gruesos y
también
si
hay
deficiencias
de
ciertos
tamaños.
A
partir
del
análisis
granulométrico se pueden determinar también varios parámetros importantes
para el estudio de las mezclas de morteros y hormigones, estos son: los
tamaños máximos absolutos y nomínales y los módulos de finura del material.
•
Modulo de finura de un agregado: Este termino es mas utilizado para los
agregados finos que los gruesos y se define como el área bajo la curva
granulométrica de los % retenidos acumulados desde el tamiz # 100
hasta el mayor de la serie ASTM. Su determinación numérica es sencilla
porque equivale a determinar la suma de los % retenidos acumulados en
cada tamiz y el resultado se debe dividir por 100. El índice así obtenido
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da una idea del tamaño promedio de las partículas del material. Un valor
alto indica que el material es grueso y le faltan finos y viceversa. Para un
agregado fino el valor esta entre 1 y 6 mientras que para un agregado
grueso entre 6 y 10.
n
MF =
•
∑ %ret .acumul .
100
100
Tamaño máximo absoluto y nominal: Se definen como aquellos tamaños
equivalentes a los tamices que dejan pasar el 100% del material y hasta
el 95 % respectivamente.
•
Tamaño mínimo absoluto y nominal: Se definen como aquellos tamaños
equivalentes a los tamices que retienen el 100 % y hasta el 95 % del
material respectivamente.
El principal factor, ligado a la granulometría de un agregado, y que afecta el
comportamiento de las mezclas de morteros y hormigones es la superficie
especifica. A menor tamaño mayor superficie del material y mayor es el
requerimiento de agua para lograr la trabajabilidad adecuada en obra y esto
representara mayor exudación y menor resistencia. La forma y la textura del
material también afectan el comportamiento de las mezclas en lo que se refiere
a la adherencia y la trabajabilidad del hormigón. Se ha tenido buen
comportamiento con arenas de tamaño medio ( 2.5 < MF < 3.5 ) y gravas con
tamaños máximos entre 3 / 4 “ y 1.5 “. Estos son los materiales preferidos en la
practica del hormigón. La resistencia de un mortero o un hormigón aumenta si
los agregados finos tienen altos módulos de finura entre > 3.0 y el mayor
tamaño máximo disponible de las gravas. Sin embargo en estos casos la falta
de finos afecta la trabajabilidad y el terminado de las mezclas por lo que es
importante considerar distribuciones granulométricas ideales para lograr los
máximos beneficios en las propiedades del hormigón.
Con el avance de las investigaciones sobre mezclas de hormigón a principios
del
siglo
XX,
varios investigadores se dieron a la tarea de proponer
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granulometrías ideales para los agregados en el hormigón. La curva de FullerThompson, la de Weymouth, Bolomey, Joisel, Faury son ejemplos típicos de
estos estudios. En la granulometría de Fuller - Thompson se considera que el
mejor agregado para el hormigón es aquel cuya curva granulométrica se ajusta
perfectamente a la siguiente ecuación:
Y = 100
d
D
En donde: “ Y “ es el % acumulado que pasa la malla de abertura “ d “. “ D “ es
el tamaño máximo nominal del material. Por ejemplo para una mezcla de
agregados con D = 38.mm se obtiene la siguiente granulometría ideal:
d mm
0.15
0.30
0.60
1.2
2.4
4.8
9.5
12.5
Y%
6.3
8.9
12.6
17.8
25.1
35.5
50
57
19
25
38
70.7 81.1 100
Si se dibujan estos valores en una grafica variando el “ D “ se obtienen las
diferentes granulometrías ideales según Fuller-Thompson.
100
90
D = 3/8”
% PASAN ACUM.
80
D =½”
70
60
50
D=
40
30
¾”
D = 1”
20
D =1.5”
10
0
0
1
10
100
ABERTURA MALLA (mm)
Figura 3.5 Granulometrías ideales según Fuller-Thompson
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3.2.2 Determinación de la granulometría de un agregado NTC-77
•
Agregados Finos: se toma una muestra representativa de arena seca
con masa igual a 1kg y se coloca sobre la serie de tamices ordenados
de mayor a menor ( 4, 8, 16, 30, 50, 100 y fondo ). Se someten a un
vibrado mecánico por 15 minutos para finalmente determinar la masa de
cada fracción retenida en los tamices. El error de ensayo no debe
superar el 0.5%.
•
Tamiz #
4
8
16
30
50
100
fondo
Masa ( g )
M4
M8
M16
M30
M50
M100
Mf
Agregados Gruesos: se toma una muestra representativa de grava seca
con masa igual a 10 kg y se coloca sobre la serie de tamices ordenados
de mayor a menor ( 3/2”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, #4 y fondo ). Se someten a un
vibrado manual o mecánico para finalmente determinar la masa de cada
fracción retenida en los tamices. De la misma forma El error de ensayo
no debe superar el 0.5%.
tamiz
1.5”
1”
¾”
½”
3/8”
#4
fondo
Masa ( g )
M1.5
M1.0
M3/4”
M1/2”
M3/8”
M4
Mf
3.2.3 Cálculos
Se prepara una tabla de cálculos para obtener así los % retenidos acumulados
del material en cada una de las fracciones clasificadas. Se evalúa si los
resultados se ajustan a la especificación de la norma NTC-174 sobre %
óptimos en cada una de las mallas. Se determinan: el modulo de finura de la
arena, el tamaño máximo y mínimo nominal de la grava y la superficie
especifica del material considerando la forma de las partículas ( redondeadas si
el material es de origen aluvial o angulares si proviene de plantas trituradoras ).
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Tabla 3.6 Cálculos granulométricos para agregados finos
Tamiz #
Masa ret.
% ret.indiv.
% ret.acum.
Especificación
4
M4
R4 = ( M4/Mt ) *100
R4
0- 5
8
M8
R8 = ( M8/Mt ) *100
Σ Ri (4-8)
0-20
16
M16
R16 = ( M16/Mt ) *100
Σ Ri (4-16)
15-50
30
M30
R30 = ( M30/Mt ) *100
Σ Ri (4-30)
40-75
50
M50
R50 = ( M50/Mt ) *100
Σ Ri (4-50)
70-90
100
M100
R100 = ( M100/Mt ) *100
Σ Ri ( 4-100)
90-98
Fondo
Mf
Rf = ( Mf /Mt ) *100
ΣMi = Mt
Σ Ri = 100
Tabla 3.7 Cálculos granulométricos para agregados gruesos
Tamiz
Masa ret.
% ret.indiv.
% ret.acum.
Especificación
1.5”
M1.5
R1.5 = ( M1.5/Mt ) *100
R1.5
Según tamaños
1.0”
M1.0
R1.0 = ( M1.0/Mt ) *100
Σ Ri (1.5-1.0)
“
¾”
M0.75
R0.75 = ( M0.75/Mt ) *100
Σ Ri (1.5-0.75)
“
½”
M0.5
R0.5 = ( M0.5/Mt ) *100
Σ Ri (1.5-0.5)
“
3/8”
M3/8
R3/8 = ( M3/8/Mt ) *100
Σ Ri (1.5-3/8)
“
#4
M4
R4 = ( M4/Mt ) *100
Σ Ri ( 1.5-#4)
“
Fondo
Mf
Rf = ( Mf /Mt ) *100
Σ Mi = Mt
Σ Ri = 100
Los cálculos restantes se explican mejor con el siguiente ejemplo:
Ejemplo
Los siguientes resultados representan el estudio granulométrico de
dos agregados para la fabricación de hormigón. Estudiar sus características y
definir sus diferentes propiedades respecto al tamaño de las partículas.
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Tamiz #
4
8
16
30
50
100
fondo
Masa ( g )
27.4
168.7
167.9
194.4
239.3
127
78.5
tamiz
1.5”
1”
¾”
½”
3/8”
#4
fondo
Masa ( g )
0
263
1223
3080
2940
2220
317
El error obtenido en cada análisis es:
•
En arenas: % error = [( 1003.2 – 1000 ) / 1000] * 100 = 0.32%< 0.5%
•
En gravas: % error = [ ( 10043 -10000) / 10000]* 100 = 0.43%< 0.5%
Se concluye que el ensayo esta bien realizado. En caso contrario se
recomienda repetir la prueba.
Tamiz #
Masa ret.
% ret.indiv.
% ret.acum.
Especificación
4
27.4
2.7
2.7
0- 5
8
168.7
16.8
19.5
0-20
16
167.9
16.7
36.2
15-50
30
194.4
19.4
55.6
40-75
50
239.3
23.9
79.5
70-90
100
127
12.7
92.2
90-98
Fondo
78.5
7.8
Σ Mi = 1003
Σ Ri = 100
Tamiz
Masa ret.
% ret.indiv.
% ret.acum.
NTC-174
1.5”
0
0
0
0
1.0”
263
2.6
2.6
0 – 10
¾”
1223
12.2
14.8
15 – 60
½”
3080
30.7
45.5
60 – 90
3/8”
2940
29.3
74.8
85 – 100
#4
2220
22.1
96.9
95 - 100
Fondo
317
3.2
Σ Mi = 10043
Σ Ri = 100
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Analizando los dos resultados se puede decir que los agregados se ajustan
perfectamente a las especificaciones NTC-174 para ser utilizados en las
mezclas de hormigón.
•
Modulo de finura de la arena:
MF =
2.7 + 19.5 + 36.2 + 55.6 + 79.5 + 92.2
= 2.86
100
Se concluye que el agregado es de tamaño medio con un valor de:
d n = 0.0744 × 22.86 = 0.540 mm
El agregado fino se dice que en promedio es de tamaño # 30.
% PASA ACUM.
GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
10
100
TAMAÑO DE PARTICULAS EN mm
•
Tamaño máximo y mínimo nominal de la grava: En este caso el tamiz que
deja pasar mas del 95% del material es el de 1” = 25.4 mm el que retiene
mas del 95% es el tamiz # 4 = 4.80 mm
•
Superficie especifica de la arena: Considerando material de forma irregular :
Para las arenas: S.E. f =
7
= 13 mm 2 / mm3
0.540
Para las gravas: S.E. g =
7
= 0.81 mm 2 / mm3 ( el dn se obtiene de la
8.63
misma forma en que se determina el de las arenas).
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3.3
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Densidad, Gravedad especifica y % de absorción
3.3.1 Generalidades
La determinación de las relaciones masa- volumen de un material representan
uno de los factores principales en la dosificación de las mezclas de hormigón.
En el caso de los agregados es importante considerar que debido a su
constitución interna y externa el volumen de las partículas no es el de un sólido
en el sentido estricto de la palabra ya que el material posee tanto vacíos
interiores ( poros no saturables ) como vacíos exteriores ( poros saturables)
como indica la gráfica 3.6. , por lo tanto se habla de: densidad real, densidad
aparente y densidad en bruto. La primera se refiere a la relación masa del
sólido sobre volumen del sólido ( Ms / Vs ), la segunda a la masa del sólido
sobre el volumen del sólido mas el de los poros saturables ( Ms / (Vs+Vp)) y la
tercera se refiere a la masa del sólido sobre el volumen del sólido mas el de
poros saturables mas el de poros no saturables ( Ms / ( Vs + Vp + Vi )). En la
practica la más sencilla de estimar en el laboratorio utilizando los métodos
convencionales de desplazamiento en líquidos es la densidad en bruto. Este
ultimo valor no tiene mucha diferencia respecto a la densidad real del material
porque en la mayoría de las piedras utilizadas como agregados el volumen de
poros no supera el 3.5 %.
Poros interiores: Vi
Poros exteriores: Vp
Sólido: Vs
Figura 3.6 Constitución interna y externa de un agregado
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Para la realización de los cálculos de las mezclas es de gran utilidad utilizar
solo los valores numéricos de las densidades de los agregados para lo cual
estas se dividen por la densidad del agua. Esta relación se conoce como
densidad relativa o gravedad especifica o peso especifico.
•
Gravedad Específica en bruto seca: Es la relación entre la densidad en
bruto del material considerando la masa seca y la densidad del agua.
•
Gravedad específica en bruto saturada: Es la relación entre la densidad en
bruto del material, considerando la masa saturada superficialmente seca, y
la densidad del agua.
•
Porcentaje de absorción: Se define como la capacidad que tiene el
agregado para almacenar agua en sus poros saturables y no saturables;
también se define como la cantidad de agua absorbida por el agregado
después de ser sumergida durante 24h en agua, expresada como un
porcentaje del material seco.
3.3.2 Marco teórico
La porosidad esta relacionada con la capacidad de absorción de agua de los
agregados y varia de acuerdo con el tamaño de los poros, su continuidad y su
volumen total.
Para cuantificar la influencia de la porosidad dentro del
agregado se mide su capacidad de absorción la cual tiene que ver con el
estado en que se encuentra el material al momento de la medición.
Experimentalmente se comprueba que un agregado puede estar en una de las
siguientes
condiciones
internamente
y
seco
externamente
y d )
de
humedad:
superficialmente,
a)
c)
seco
totalmente,
saturado
tanto
b)
saturado
interna
como
totalmente húmedo. En el primer caso la capacidad de
absorción es máxima y su determinación indica la absorción total del material.
En el segundo caso la absorción es superficial en el tercero no absorbe agua y
en el cuarto aporta agua superficial. Una absorción total demasiado alta puede
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ser indicio de un desempeño inadecuado del agregado en el hormigón
principalmente cuando este se somete a c9clos de congelamiento y deshielo.
El exceso de absorción en los agregados puede darse como una condición
natural de las rocas que lo constituyen, o puede ser provocado por la presencia
de partículas de inferior calidad o de materia contaminante.
3.3.3
•
Ensayos en gravas NTC-176 ( ASTM C-127 )
Preparación de la muestra.
Se toman aproximadamente 5000 g del
agregado por el método del cuarteo y se sumergen durante 24 horas en
agua para llenar los poros del material. Se tamiza luego la muestra por la
malla # 4 y se descarta el material pasante. El material retenido se seca
superficialmente para quitar el exceso de agua por encima del de
saturación. De este material se miden 3000 g siendo esta la masa saturada
superficialmente seca ( Msss ). Se determina luego la masa del material
suspendido y sumergido en agua ( Msum), finalmente el material se lleva a
un secado en horno a 105 oC hasta peso constante ( Ms ).
•
Cálculos.
-
Densidad en bruto seca:
δs =
Donde,
MS
(M SSS - M SUM )
Ms = Masa seca en el aire, g
Msss = Masa saturada superficialmente seca, g.
MSUM = Masa sumergida, g.
-
Densidad en bruto saturada superficialmente seca:
δ sss =
-
M SSS
(M SSS − M SUM )
Densidad aparente seca:
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δs =
-
MS
(M S − MSUM )
Densidad aparente saturada:
δ sss =
-
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M SSS
(M S - M SUM )
Porcentaje de absorción. % Absorción.
% Absorción =
Ejemplo
( M SSS − M S )
*100
MS
Determinar para la siguiente muestra de agregado su densidad,
gravedad específica y porcentaje de absorción.
•
•
Datos.
Msss
= 3000 g.
Msum
= 1867 g
Ms
= 2945 g.
Cálculos
δs =
2945 g
= 2.60 g / cm 3
(3000 g - 1867 g)
NOTA: La unidad de medida de las gravedades específicas esta dada en
g/cm3, ya que la diferencia entre el peso en el aire y el peso sumergido
equivale al empuje hidrostático que equivale al volumen de agua desalojado.
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δ sss =
3000 g
= 2.65 g/cm 3
(3000 g - 1867 g)
δ sapar. =
2945 g
= 2.73 g/cm 3
(2945 g - 1867 g)
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apar.
δ sss
=
3000 g
= 2.78 g/cm 3
(2945 g - 1867g)
% Absorción =
3.3.4
•
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(3000g - 2945g)
* 100 = 1.87%
2945g
Ensayos en arenas NTC-237 (ASTM C-128)
Preparación de la muestra.
Se toman aproximadamente 2000 g del
agregado por el método del cuarteo y se sumergen durante 24 horas en
agua para llenar los poros del material. Luego se somete a un secado lento
al aire para eliminar el exceso de agua por encima del de saturación. A
medida
que
la
muestra
va
perdiendo
humedad
se
periódicamente el momento en que esta en condiciones
debe
evaluar
de saturada
superficialmente seca. El método consiste en verificar si al llenar el molde
tronco cónico de la figura 3.7 y compactar con 25 golpes distribuidos en tres
capas con el pisón indicado la muestra conserva su forma, se derrumba
totalmente o solo se derrumba la parte superior. Si la muestra conserva la
forma todavía esta húmeda, si se derrumba totalmente esta seca y si se
derrumba solo la parte superior esta en la condición de saturación
requerida. Una vez se logra esta condición se miden 500 g del material (
Msss ) y se llevan al frasco volumétrico para medir el volumen de agua
desalojado ( Vf ). El frasco volumétrico debe tener agua hasta el nivel inicial
de 200 ml y su masa lleno solo con agua hasta los 450 ml se debe conocer
( Mpw ). Se completa el frasco con agua hasta la marca de 450 ml y se pesa (
Mt). La muestra se extrae del frasco y se lleva a un secado en horno a
temperatura de 105 oC hasta masa constante ( Ms ).
•
Cálculos por volumen:
-
Donde,
Densidad en bruto seca:
δs =
MS
(Vf - 200)
Ms = Masa seca ( g )
Vf = Volumen de agua después de vaciar la muestra ( ml )
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Densidad en bruto saturada superficialmente seca:
-
δ sss =
MSSS
(Vf − 200)
Porcentaje de absorción. % Absorción.
-
% Absorción =
( M SSS − M S )
*100
MS
40 mm
75 mm
90 mm
25 mm
Molde tronco-cónico
Pisón metálico
Figura 3.7 Molde metálico y pisón para saturación de arenas
•
Cálculos por peso:
-
δs =
Densidad en bruto seca:
MS
(Mf + 500 - M t )
Donde:
Ms = Masa seca ( g )
Mf = Masa del frasco solo con agua hasta los 450 ml
Mt = Masa del frasco con muestra con agua hasta 450 ml
-
Densidad en bruto saturada superficialmente seca:
δ sss =
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MSSS
(M f + 500 - M t )
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Ejemplo. A una muestra de arena se le determinará su densidad, gravedad
específica y porcentaje de absorción.
•
Datos:
Msss = 500 g
Vo = 200 ml.
Vf
= 383 ml
Mt = 1146.6 g
Ms
= 492.3 g
Mf
= 836 g
•
Cálculos
-
Por volumen.
δ sss =
500 g
= 2.73 g/cm 3
(383 ml - 200 ml)
δs =
492.3 g
= 2.69 g/cm 3
183ml
% Absorción =
-
(500 - 492.3)
*100 = 1.56%
492.3
Por peso:
δ sss =
500
= 2.64 g/cm 3
(836 + 500 - 1146.6)
δs =
492.3
= 2.60 g/cm 3
(836 + 500 - 1146.6)
Al comparar los resultados se observa que los valores están muy cercanos,
por lo cual se puede decir que el método aproximado (método por volumen) da
un resultado tan satisfactorio como el método exacto (método por peso). El
porcentaje de absorción de 1.56% está dentro del rango de absorción de las
partículas de agregados pétreos de peso normal.
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3.4 Masas Unitarias y % de vacíos entre partículas
3.4.1 Marco teórico
La masa unitaria se define como la relación entre la masa sólida y el volumen
ocupado por el material cuando se coloca dentro de un recipiente estándar de
masa y volumen conocidos. Esta relación considera una nueva variable en las
relaciones masa a volumen de los agregados, la relación de vacíos. Esta ultima
medida representa el grado de empaque que tiene el material el cual a su vez
esta
relacionado con la cantidad de pasta requerida para llenar los espacios
vacíos dejados entre partículas de agregados y entre partículas y pared del
molde. Para un mismo agregado si el peso unitario disminuye es porque hay
mas espacios vacíos que se deben llenar con pasta lo que afecta el costo y el
comportamiento del hormigón en el tiempo ( aumento de la fluencia y la
retracción del material ).
La masa unitaria depende de la granulometría del agregado, la forma de las
partículas y del nivel de compactación utilizado para colocar el material en el
molde. Se distinguen por lo tanto tres tipos de masas unitarias de agregados:
La masa unitaria suelta para agregados de menos de 38 mm de tamaño; la
masa unitaria compactada con varilla para agregados de tamaño menor que 38
mm y mayor que 4.8 mm y la masa unitaria por vibrado para agregados de mas
de 38 mm de tamaño.
3.4.2 Determinación de la masa unitaria de un agregado NTC-92
Inicialmente se debe seleccionar, de acuerdo al tamaño máximo del agregado,
el volumen del medidor a utilizar ( Vr ). La tabla 3.7 es la guía para esta
selección. El agregado debe estar seco al aire para iniciar la medida.
a) Masa unitaria suelta: se comienza a llenar el recipiente dejando caer el
material desde una altura de 50 mm del borde superior del molde hasta
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su llenado total. Finalmente se enrasa y se completa el volumen con
agregado de menor tamaño y se mide la masa total ( Mt ).
b) Masa unitaria compactada con varilla: este ensayo solo es para
agregados gruesos y consiste en llenar el recipiente en tres capas, de
aproximadamente igual volumen, cada una compactada 25 veces con
una barra lisa de 16 mm de diámetro y con su extremo semiredondeado.
Se determina su masa total ( Mt ).
Tabla 3.8 Recipientes para medida de la masa unitaria en agregados*
Tamaño
Volumen del
Diámetro
Altura
Calibre lamina
Calibre
máximo del
medidor
(mm)
(mm)
pared
lamina fondo
agregado
( litros)
(mm)
(mm)
½”
3
155
160
3
5
1”
10
205
305
3
5
1.5”
15
255
295
3
5
4.0”
30
355
305
3
5
* El recipiente debe ser metálico y provisto de agarraderas de sujeción laterales para su fácil
manejo en el laboratorio.
La masa unitaria se determina con la expresión:
M .U suelta =
(M t − M r )
Vr
Donde Mr es la masa del recipiente y Mt y Vr son variables ya definidas. El %
de vacíos en el interior del volumen se determina a partir de la definición de la
densidad y la masa unitaria:
 M .U 
 × 100
%V = 1 −
δ s 

Los resultados de la medida se deben analizar conjuntamente con los valores
obtenidos para la granulometría y la densidad en bruto del material.
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Ejemplo: Determinar la masa unitaria y el volumen de vacíos del siguiente
agregado usado para la fabricación de hormigón.
Material
Condición
Densidad
Vr
Mr
Mt
Mg/m3
cm3
g
g
Arena
Suelta
2.68
3267
8750
13700
Grava
Suelta
2.75
10250
19400
36350
Grava
Compactada
2.75
10250
19400
37750
•
Agregado fino suelto:
M .U .suelta =
•
3267
g / cm 3
 1.52 
%V = 1 −
 × 100 = 43 %
 2.68 
Agregado grueso suelto:
M .U .suleta =
•
(13700 − 8750 ) = 1.52
(36350 − 19400) = 1.65
10250
g / cm 3
 1.65 
%V = 1 −
 × 100 = 40%
 2.75 
Agregado grueso compactado con varilla:
M .U .compact . =
(37750 − 19400 ) = 1.79
10250
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g / cm 3
 1.79 
%V = 1 −
 × 100 = 35%
 2.75 
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3.5 Humedad superficial en agregados
3.5.1 Teoría general
Cuando los agregados están expuestos directamente a la ación climática de
lluvia y secado continuo llegan a almacenar grandes volúmenes de agua en su
interior, principalmente en el caso de las arenas. Esta cantidad de agua
almacenada puede llegar a valores hasta de un 30% de la masa seca del
material. Considerando que la cantidad de agua de saturación de un agregado
por lo general no supera un 3% de su masa seca se concluye que el agua
superficial o libre adquiere valores significativos que se deben determinar para
hacer los ajustes cuando se esta fabricando el hormigón en obra o en planta.
En el diseño de una mezcla de hormigón una de las hipótesis básicas es
considerar que las propiedades mecánicas del material así como su durabilidad
son función de la relación entre el contenido de agua que requiere la mezcla (
para dar trabajabilidad y para reacción química) de la mezcla y el contenido de
cementante (A/C). Esta relación experimental esta soportada por gran cantidad
de ensayos de laboratorio que permiten predecir, con aceptable aproximación,
la resistencia que adquiere un hormigón con una determinada ( A/C). Por
ejemplo si se tiene un A/C = 0.45 y experimentalmente se conoce de registros
históricos que la relación entre f´c y A/C es:
f ´c =
90
( MPa )
11A / C
Se obtiene una resistencia probable de f´c = 28 MPa. Si ahora se asume que
los agregados están húmedos y tienen un exceso de agua, sobre la de
saturación, de 10% los finos y 5% los gruesos es evidente que esta variables
se debe tener en cuenta disminuyendo proporcionalmente el agua que se debe
adicionar a la mezcla. Estos cálculos son sencillos y se deben realizar
periódicamente en una central de producción de hormigón. Si se considera
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ahora que la mezcla se fabrica sin efectuar ninguna corrección por humedad lo
que se hace es aumentar indebidamente la ( A/C) y en consecuencia la
resistencia y la durabilidad del hormigón se ven seriamente afectadas. Un
calculo sencillo para una mezcla: 0.45 ; 1 : 2.0 : 2.5 en peso con una masa
unitaria de 2.38 Mg / m3 indica que la relación (A/C) se incrementa a 0.78 con
el agravante de que la resistencia probable es ahora de f´c = 14 MPa, es decir
una caída del 50% de la inicialmente prevista.
3.5.2 Métodos para determinar la humedad en agregados
Existe una gran variedad de procedimientos para determinar el contenido de
agua en un agregado. En principio se pueden dividir en dos grandes grupos:
los de laboratorio y los de campo. Sin embargo la clasificación mas apropiada
desde un punto de vista practico es definirlos como
métodos rápidos o lentos.
Los mas apropiados para el trabajo en obra son los rápidos porque permiten
corregir las mezclas inmediatamente antes de su producción. Entre más rápido
sea el procedimiento mas ajustada estará la corrección de las cantidades de
mezcla a las condiciones de humedad particulares de ese momento. Algunos
ejemplos de estos métodos son: El equipo nuclear ( resultados inmediatos), el
medidor eléctrico, el Speedy ( carburo de calcio), el secado intensivo ( en fogón
o quemando el material con alcohol) y el por desplazamiento en líquidos. Otros
métodos como el del frasco volumétrico ( Chapman ) , y el del secado a
temperatura constante solo son apropiados para condiciones de laboratorio y el
ultimo requiere esperar mas de 24 horas para obtener resultados. La tabla 3.9
resume estos procedimientos y los compara respecto a su precisión con el
método de secado a temperatura constante.
3.5.2.1 Método de secado a temperatura constante NTC-3950 (ASTM C-566)
De la fuente de agregados se extrae una muestra representativa del material y
de acuerdo al tamaño máximo se mide la masa requerida. En arenas Mi = 500
g en gravas Mi = 5000 g. La muestra se lleva al horno a temperatura de 105oC
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hasta masa constante ( Ms ).
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El contenido de humedad total se determina
como la diferencia de masas respecto a la masa seca en porcentaje “ ht “. La
humedad superficial se obtiene restando a la humedad total la humedad de
absorción del agregado “ ha “.
htH =
(M i − M s ) × 100
Ms
hsH = htH − ha
3.5.2.2 Humedad superficial por frasco volumétrico NTC-3280 ( ASTM C-70)
Se miden 500 g de arena húmeda y se introducen al frasco volumétrico, el cual
debe tener agua hasta la marca de los 200 ml. Se determina el volumen de
agua desplazado ( Vf ). Se completa con agua el volumen total del frasco ( 450
ml ) y se mide la masa del conjunto ( Mt). Se determina la humedad superficial
“ hs “ con las siguiente expresión:
 500(δ sss − 1)

hs = 
− 1 × 100
 δ sss (M t − M f ) 
Donde “ Mf “ es la masa del frasco lleno con agua hasta los 450 ml. La
humedad total se determina sumando a la superficial la de absorción “ ha “:
ht = hs + ha
3.5.2.3 Humedad superficial por secado en fogón ( sin normalizar)
Se miden 500 g de arena húmeda ( Mi ) y se colocan sobre un recipiente
metálico. El conjunto es llevado a una fuente de calor y colocado directamente
sobre ella para someter el agregado a un secado intensivo sin control de
temperatura. Continuamente el agregado se mezcla para garantizar secado
uniforme. Se considera que el agregado esta seco cuando al colocar una placa
de vidrio sobre el material esta no se empaña o cuando se coloca una hoja de
papel esta no se dobla. Se retira el material de la fuente de calor y se deja en
reposo por varios minutos hasta lograr una temperatura similar a la ambiente.
Finalmente se mide la masa seca de la muestra ( Ms ). Se determina la
humedad total “ ht “ con las siguiente expresión:
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 M − Ms 
 × 100
ht =  i
 Ms 
La humedad superficial se determina restando la absorción “ ha “:
hs = ht + ha
Este ensayo tiene el inconveniente de que al someter el material a un secado
intensivo parte de sus constituyentes se queman por efecto del calor y se
pierde peso que no corresponde al contenido de agua. El resultado de esta
prueba se debe corregir usando ecuaciones estadísticas obtenidas para cada
fuente de agregados utilizado. Con agregados provenientes de las fuentes
naturales del valle de aburra Giraldo y Caballero ( 10 ) demuestran que el error
cometido con esta prueba es menor del 0.5 % por lo que no es necesario hacer
la corrección al valor obtenido.
3.5.2.3 Humedad superficial por quemado con alcohol ( sin normalizar)
Se miden 500 g de arena húmeda ( Mi ) y se colocan sobre un recipiente
metálico apropiado. El conjunto es rociado con una cantidad apropiada de
alcohol que varia entre 50 y 150 ml de acuerdo a una primera estimación visual
del contenido de humedad. Por ejemplo si se considera el material con baja
humedad se pueden rociar 50 ml de alcohol. Si la muestra esta medianamente
húmeda usar 100 ml y si esta exageradamente húmeda 150 ml. El alcohol es
encendido quedando el
material sometido directamente a la llama que lo seca
en forma intensiva sin control de temperatura. Continuamente el agregado se
mezcla para garantizar un secado uniforme. En forma similar al método anterior
se considera que el agregado esta seco cuando visualmente se evalúa su color
o su estado de flujo libre de las partículas. Si el material continua húmedo se
adicionan gradualmente incrementos de 50 ml de alcohol y se realiza de nuevo
el secado ( segunda, tercera quemada) hasta lograr secar totalmente el
material. En los casos mas desfavorables ( altas humedades ht > 15 % ) se
pueden requerir hasta tres adiciones de alcohol.
Al final de la prueba se
determina la humedad total “ ht “con la siguiente expresión:
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 M − Ms 
 × 100
ht =  i
 Ms 
La humedad superficial se determina restando la absorción “ ha “:
hs = ht + ha
Este ensayo también tiene el inconveniente de que al someter el material
directamente a la llama parte de sus constituyentes se queman por efecto del
calor y se pierde peso que no corresponde al contenido de agua. El resultado
de esta prueba se debe corregir usando ecuaciones estadísticas obtenidas
para varias fuentes de agregados de la región. Giraldo y Caballero ( 10 )
demuestran que el error cometido con esta prueba es menor del 5 % por lo que
la corrección al valor obtenido es muchas veces insignificante.
3.5.2.2 Humedad superficial en probetas ( sin normalizar )
Este ensayo tiene la ventaja de que no se requiere ni pesar ni secar el material.
Se requieren solo dos probetas de volumen 1000 ml. Cada probeta se llena con
agua hasta el nivel de los 300 ml ( Vw ). En una de las probetas se coloca
agregado seco hasta que el nivel del agregado sea de 600 ml ( Vs ) ( no se
debe compactar la muestra solo se debe procurar acomodo por gravedad ) en
la otra probeta se coloca agregado húmedo hasta el mismo nivel ( Vh ). El valor
de la humedad superficial se obtiene a partir de la densidad en bruto del
material “ dsss “:
 (Vh − Vs ) 
hs = 
 × 100
 δ sss (Vs − Vw )
La humedad total se determina sumando a la superficial la de absorción “ ha “:
ht = hs + ha
3.5.3 Análisis y conclusiones
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Los ensayos de humedad se deben comparar con el secado a temperatura
controlada y verificar la aceptabilidad de cada método. Se deben comparar %
de error y facilidad y sencillez de los procedimientos.
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