Estudio sobre la Factibilidad del Uso del Polvillo Arenoso Grueso de

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERIA DE MATERIALES
ESTUDIO SOBRE LA FACTIBILIDAD DEL USO DEL POLVILLO ARENOSO
GRUESO DE PLANTA PERTIGALETE EN CONCRETO
Por:
José Miguel Márquez García
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero de Materiales
Sartenejas, Octubre de 2010
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERIA DE MATERIALES
ESTUDIO SOBRE LA FACTIBILIDAD DEL USO DEL POLVILLO ARENOSO
GRUESO DE PLANTA PERTIGALETE EN CONCRETO
Por:
José Miguel Márquez García
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Tierry Jean Paul Poirier
Co-tutor: Carmen Albano
Tutor Industrial: Jesús Ramón Arellano Labrador
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero de Materiales
Sartenejas, Octubre de 2010
iii
iv
ESTUDIO SOBRE LA FACTIBILIDAD DEL USO DEL POLVILLO ARENOSO
GRUESO DE PLANTA PERTIGALETE EN CONCRETO
Realizado por:
José Miguel Márquez García
RESUMEN
Entre los métodos de mezcla comúnmente empleados en Venezuela se destacan el método
descrito por J. Porrero en el Manual del Concreto Estructural (MMCE) y el método del comité
211 del American Concrete Institute (ACI-211). Ambos procuran anticipar la composición
apropiada de cemento, agua y agregados finos y gruesos, en función de los valores de
asentamiento y resistencia mecánica deseados, tomando como insumos
algunas
características de dichos agregados tales como módulo de finura del agregado fino para la
ACI-211, o la granulometría completa y geometría de los agregados en el MMCE. En
condiciones equivalentes de propiedades, el MMCE sugiere cantidades mayores de cemento y
mayores costos, pero su precisión sobre exigencias granulométricas permite al usuario afinar
con mayor éxito las mezclas de diferentes agregados, en comparación con la ACI-211.
CEMEX Venezuela es deseosa de incluir un polvillo calcáreo (“PAG”) dotado de una
cantidad excesiva de partículas ultrafinas (23% pasante sobre malla 200. COVENIN 277
permite un máximo de 15%) para elaborar mezclas de concreto con propiedades satisfactorias
y con costos optimizados. En el presente trabajo se estudiaron mezclas con PAG en
sustitución parcial (15, 30 y 45%) de la arena clásicamente empleada, trabajando
respectivamente según los métodos MMCE y ACI-211. Adicionalmente se propuso un tercer
método mixto, que recurre a la data granulométrica usada en el MMCE y a los valores de
agua/cemento de la ACI-211. Los resultados de resistencia mecánica superaron las
expectativas en todos los métodos, y la fluidez fue óptima con el método mixto, incluso con
valores altos de sustitución de la arena por PAG. Un ensayo industrial con 15% de sustitución
confirmó el éxito del método mixto.
v
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
ANTECEDENTES ........................................................................................................... 1
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. 2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 3
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................... 4
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 4
CAPÍTULO I .................................................................................................................... 6
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ................................................................................ 6
CAPITULO II ................................................................................................................... 8
MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 8
2.1 EL CONCRETO ......................................................................................................... 8
2.2 LOS AGREGADOS ................................................................................................... 8
2.3 EL AGUA ................................................................................................................. 13
2.4 EL CEMENTO ......................................................................................................... 14
2.5 LOS ADITIVOS ....................................................................................................... 15
2.5.1 Aditivo reductor de agua (POLYHEED 755) ............................................................... 16
2.5.2 Aditivo retardante de fraguado (POZZOLITH 2205) ................................................ 17
2.6 PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO........................................................ 17
2.7 PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO ............................................. 18
2.8 DISEÑO DE MEZCLAS ......................................................................................... 19
2.9 MECANISMO DE HIDRATACIÓN Y DESARROLLO DE RESISTENCIAS. ... 19
2.10 EFECTO DE LOS ULTRAFINOS EN LA REOLOGÍA DEL CONCRETO. ...... 23
CAPITULO III ............................................................................................................... 24
DISEÑO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 24
3.1 MATERIALES ......................................................................................................... 24
3.2 EQUIPOS ................................................................................................................. 25
3.3 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO............. 26
3.3.1 Método del manual del concreto estructural ................................................................. 29
3.3.2 Método del comité ACI 211 ............................................................................................... 38
3.3.3 Método mixto entre el método del manual del concreto estructural y el método ACI
211 ........................................................................................................................................................ 41
3.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 42
vi
3.4.1 Procedimiento para realizar el muestreo de agregados .............................................. 42
3.4.2 Procedimiento para realizar el cuarteo de muestras de agregados .......................... 43
3.4.3 Procedimiento para determinar por lavado el contenido de partículas menores a 74
micrones (% pasante 200). ............................................................................................................ 44
3.4.4 Procedimiento para determinar la composición granulométrica de agregados para
concreto ............................................................................................................................................... 45
3.4.5 Procedimiento para determinar el contenido de terrones de arcilla y partículas
desmenuzables. ................................................................................................................................. 46
3.4.6 Procedimiento para la determinación cuantitativa de impurezas orgánicas en
agregados finos para concreto (colorimetría) .......................................................................... 47
3.4.7 Procedimiento para la determinación el cociente entre la dimensión máxima y la
dimensión mínima en agregados gruesos para concreto (partículas planas y alargadas)48
3.4.8 Método de ensayo para la determinación el peso unitario del agregado ............... 48
3.4.9 Procedimiento para la determinación de la densidad y la absorción del agregado fino
............................................................................................................................................................... 50
3.4.10 Procedimiento para la determinación de la densidad y la absorción del agregado
grueso .................................................................................................................................................. 51
3.4.11 Procedimiento para el mezclado de concreto. ............................................................ 52
3.4.12 Procedimiento para determinar el contenido de humedad de los agregados. .... 53
CAPITULO IV ............................................................................................................... 54
RESULTADOS Y DISCUSION .................................................................................... 54
4.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA .......................................................................... 54
4.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICA ............................................................................... 57
4.2.1 COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS AGREGADOS ..................... 57
4.2.1.1 Polvillo Arenoso Grueso (PAG) ................................................................. 57
4.2.1.2 Polvillo Piedra (Arrocillo) .......................................................................... 58
4.2.1.3 Arena los Olivos 3 ..................................................................................... 59
4.2.1.4 Piedra Picada 1” PTG ................................................................................. 60
4.3 DISEÑO DE MEZCLAS ......................................................................................... 62
4.3.1 Determinación del Porcentaje Máximo de PAG Como Sustituyente de Arena. . 62
4.3.2 Diseño de Mezclas Según el Método del Manual del Concreto Estructural (MMCE)
............................................................................................................................................................... 63
4.3.3 Diseño de Mezclas Según el Método ACI 211............................................................. 65
4.3.4 Comparación Granulométrica de los Diseños ACI 211 y MMCE.......................... 68
4.3.5 Diseño de Mezclas Según el Método Mixto ACI 211-MMCE................................ 70
vii
4.4 PROPIEDADES EXPERIMENTALES DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ... 72
4.4.1 Propiedades del Concreto en Estado Fresco .................................................................. 72
4.4.2 Propiedades del Concreto en Estado Endurecido ........................................................ 77
4.4.2.1 Método del Manual del Concreto Estructural (MMCE)…..………………….77
4.4.2.2 Método del American Concrete Institute (ACI 211)…………….……….…..81
4.4.2.3 Método Mixto (MMCE-ACI 211)…………………………………………...84
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 91
RECOMENDACIONES ................................................................................................ 93
REFERENCIAS ............................................................................................................. 94
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Estructura organizacional del departamento de Agregados de la empresa
CEMEX Venezuela, empresa en transición. .................................................................... 7
Figura 2.1: Evolución del calor de hidratación con el tiempo. ...................................... 20
Figura 4.1: Composicion química del polvillo arenoso grueso de PTG........................ 55
Figura 4.2: Composición química de la arena Los Olivos 3. ....................................... 56
Figura 4.3: Coloración de la solución sobrenadante en el ensayo colorimétrico .......... 56
Figura 4.4: Curva cumulativa del PAG Los límites normativos corresponden a la norma
COVENIN 255.. ............................................................................................................. 58
Figura 4.5: Curva cumulativa del Polvillo Piedra de PTG. Los límites normativos
corresponden a la norma COVENIN 255.………………...………………………..59
Figura 4.6: Curva cumulativa de la Arena los Olivos 3. Los límites normativos
corresponden a la norma COVENIN 255.. ..................................................................... 60
Figura 4.7: Curva cumulativa de la Piedra picada 1” de PTG. Los límites normativos
corresponden a la norma COVENIN 255. ...................................................................... 61
Figura 4.8: Curva cumulativa de la mezcla de agregados combinados con distintos
porcentajes de sustitución parcial de arena por PAG. .................................................... 63
Figura 4.9: Curva granulométrica del agregado combinado según el método ACI-211 y
según el método del manual del concreto estructural para la mezcla patrón. ................ 69
Figura 4.10: Dosis de cemento calculada siguiendo los métodos descritos .................. 71
Figura 4.11: Variación del asentamiento medido en cono de Abrams con el porcentaje
de sustitución de arena por PAG en la mezcla de concreto según cada diseño de mezclas
utilizado. ......................................................................................................................... 73
Figura 4.12: Ensayo de cono de Abrams para las mezclas diseñadas según ACI 211
donde se aprecia cualitativamente las segregabilidad y heterogeneidad de las mezclas. 74
Figura 4.13: Variación de la resistencia a la compresión con el contenido de PAG para
los diferentes métodos de diseño de mezclas. Edad de ensayo 7 días. (Fcr 7 días= 85%
Fcr) ................................................................................................................................. 78
Figura 4.14: Variación de la resistencia a la compresión con el contenido de PAG para
los diferentes métodos de diseño de mezclas. Edad de ensayo 28 días .......................... 79
ix
Figura 4.15: Superficie de fractura representativa de los cilindros ensayados a los 28
días de curado húmedo de las mezclas elaboradas según el método del manual del
concreto estructural......................................................................................................... 80
Figura 4.16: Efecto del incremento de la dosis de cemento en el costo del metro cúbico
de concreto de mezclas elaboradas con diferentes porcentajes de PAG diseñadas por
MMCE. Asentamiento de 5 pulgadas para todas las mezclas ........................................ 81
Figura 4.17: Arenas con igual módulo de finura, pero diferente granulometría. .......... 84
Figura 4.18: Características importantes a nivel industrial del concreto con PAG ....... 86
Figura 4.19: Evolución de la resistencia a la compresión en mezclas a escala industrial
del concreto dosificado según el método de diseño MMCE-ACI 211 ........................... 88
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1: Límites granulométricos para agregados para concreto exigidos por norma
COVENIN 255 (en porcentajes pasantes). ....................................................................... 9
Tabla 2.2: Requerimientos establecidos por norma COVENIN 2385 para el agua de
mezclado. ........................................................................................................................ 14
Tabla 2.3: Composición mineralógica del cemento portland y las características
principales de los mismo. ............................................................................................... 15
Tabla 2.4: Tipos de aditivos y su efecto en la mezcla de concreto. ............................... 16
Tabla 3.1: Agregados ..................................................................................................... 24
Tabla 3.2: Aditivos y propiedades requeridas para el diseño de mezclas ...................... 25
Tabla 3.3: Equipos ......................................................................................................... 25
Tabla 3.4: Ensayos físicos y químicos a ser realizados para caracterizar los agregados26
Tabla 3.5: Parámetros básicos para el diseño de mezcla patrón. ................................... 27
Tabla 3.6: Límites granulométricos recomendados para agregados mezclados y tamaño
máximo de una pulgada. ................................................................................................. 30
Tabla 3.7: Factores de corrección de la relación agua/cemento por tipo de agregados. 32
Tabla 3.8: Factores de corrección para la dosis de cemento debido al tipo de agregado.
........................................................................................................................................ 33
Tabla 3.9: Dosis de agua aproximada para la elaboración de concretos convencionales.
........................................................................................................................................ 38
Tabla 3.10: Relación agua/cemento requerida para alcanzar la resistencia mecánica
estimada a los 28 días. .................................................................................................... 39
Tabla 3.11: Volumen de agregado grueso por metro cúbico de concreto. .................... 40
Tabla 3.12: Rendimiento del concreto fresco. ............................................................... 40
Tabla 4.1: Propiedades físicas que caracterizan los agregados utilizados en concreto. 61
Tabla 4.2: Dosificación del diseño de mezclas según el Método del manual del concreto
estructural. Los agregados se consideran saturados con superficie seca. ....................... 64
Tabla 4.3: Dosificación del diseño de mezclas según el Método del manual del concreto
estructural modificado. Los agregados se consideran saturados con superficie seca. ... 65
Tabla 4.4: Dosificación del diseño de mezclas según el Método ACI 211. Los
agregados se consideran saturados con superficie seca. ................................................. 67
xi
Tabla 4.5: Dosificación del diseño de mezclas según el Método Porrero-ACI 211. Los
agregados se consideran saturados con superficie seca. ................................................. 70
Tabla 4.6: Alteración de la relación agua/cemento causa por la presencia de ultrafinos
en los agregados. ............................................................................................................ 76
Tabla 4.7: Contenido de aire atrapado teórico y experimental, medido en porcentaje. 77
xii
ÍNDICE DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
α
Relación agua/cemento [adim]
αc
Relación agua/cemento corregida por tipo de agregado [adim]
αm
Relación agua/cemento modificada [adim]
β
Factor de mezclado de los agregados finos y gruesos [adim]
γ
Fracción de PAG que sustituye a la arena lavada de río [adim]
δ
Porcentaje de aditivo plastificante [%].
ε
Porcentaje de aditivo retardante [%].
η
Eficiencia del aditivo [adim]
λ
Fracción de arrocillo en el agregado fino [adim]
ζ
Desviación estándar [Kgf/cm2]
ρA
Densidad de la Arena [Kg/m3]
ρad1
Densidad del aditivo plastificante [Kg/m3]
ρad2
Densidad del aditivo retardante [Kg/m3]
ρAr
Densidad del Arrocillo [Kg/m3]
ρMT
Densidad del agregado combinado [Kg/m3]
ρP
Densidad de la Piedra de Pertigalete [Kg/m3]
ρPAG
Densidad del polvillo arenoso grueso [Kg/m3]
a
%P200
Agua de amasado [L/m3]
Material pasante malla #200 [%]
af
Cantidad de agua de amasado final [L/m3]
A
Arena lavada de río
Am
Arena Modificada
Ar
Arrocillo
B
Factor de corrección de la dosis de cemento por tipo de agregado.
[adim]
C
dosis de cemento [Kg/m3]
Cc
Dosis de cemento corregida por tipo de agregado [Kg/m3]
F
Agregado fino
Fc
Resistencia de diseño [Kgf/cm2]
Fcr
Resistencia mecánica media del concreto [Kgf/cm2]
xiii
H
Porcentaje de humedad [%]
Ka
Factor de corrección de la relación agua/cemento por tipo de
agregado. [adim]
Maaf
Masa de agua en el agregado fino [Kg/m3]
Mafc
Masa de agregado fino corregida por humedad [Kg/m3]
MAT
Mezcla de agregado grueso y fino
MF-A
Módulo de finura de la arena los Olivos 3 (Adim)
MF-AF
Módulo de finura del agregado fino [adim]
MF-Ar
Módulo de finura del polvillo piedra [adim]
MF-PAG
Mfs
Módulo de finura del polvillo arenoso grueso [adim]
Masa del agregado fino en condición de saturado con superficie seca
[Kg/m3]
P
Piedra de planta Pertigalete.
Pp
Tamaño máximo del agregado (mm)
T
Asentamiento medido en cono de Abrams
V
Volumen de aire atrapado [L/m3]
Rend
Rendimiento del concreto fresco [Kg/m3]
ACI
American Concrete Institute
COVENIN
Comité Venezolano de Normas Industriales
FRX
Fluorescencia de Rayos X
LOI
Perdidas al fuego (Loss on Ignition)
MMCE
Método del Manual del Concreto Estructural
MMCE-ACI211 Método Mixto entre el Método del Manual del Concreto Estructural
y el Método del Comité 211 del ACI
PAG
Polvillo Arenoso Grueso
PTG
Pertigalete
PUC
Peso Unitario Compacto [Kg/m3]
PUS
Peso Unitario Suelto [Kg/m3]
SIMPCA
Servicios Industriales de Maquinaria Pesada Compañía anónima
1
INTRODUCCIÓN
CEMEX Venezuela S.A.C.A, empresa en transición es la empresa productora de cemento y
agregados más grande de Venezuela, cuenta con cuatro (4) plantas productoras de cemento y
nueve (9) plantas productoras de agregados a nivel nacional. Esta investigación se centró en
los agregados de planta Pertigalete, ubicada en Anzoátegui. La materia prima para la
obtención de agregados proviene del material de rechazo de la línea de producción de
cemento. En 1972 planta Pertigalete inició la explotación de la formación el Cuantil para
obtener caliza dolomítica para la producción de cemento y agregados; su vida útil calculada se
estimó en 45 años. En la actualidad se espera que planta Pertigalete continúe usando esta
materia prima por un periodo de 3 años. En vista que la materia prima con la que funciona la
planta ya está llegando al final, el material de rechazo de cemento es cada vez menos
apropiado para la extracción de agregados, por el alto contenido de material arcilloso con
materia orgánica en descomposición y frentes de voladura altamente diaclasados que hacen
que el material tenga alto contenido de contaminantes, ya que la minería selectiva no es una
opción en dicha cantera, por esta razón el rendimiento de agregados en la planta es de sólo el
40% y el restante 60% es un subproducto denominado polvillo arenoso grueso (PAG) no apto,
en primera instancia, para concreto.
ANTECEDENTES
La adición de agregados finos dolomíticos bajo la forma de PAG, puede presentar un interés
técnico, además del interés financiero que supone usar un material a priori desechable. En
efecto Moraño en su estudio “Influencia en las Características Mecánicas de adiciones de
Calizas de distinto Tamaño de Grano, En Cementos Portland Con Diferentes Contenidos De
C3A” (Moraño, 2006), seleccionó dos muestras de calizas de similar composición química y
mineralógica, pero distinta composición petrográfica las cuales fueron molidas y separadas en
dos grupos granulométricos, el primero de 45µm y otro de 90µm. Utilizando este agregado
como adición en base al contenido de cemento en las siguientes cantidades 5, 10, 15 y 20%
determinó que el comportamiento de la caliza usada como adición en el concreto depende de
sus características petrográficas y además determinó que la resistencia mecánica del concreto
en ensayos de compresión y flexión aumenta con el uso de calizas de grano grueso (90µm)
2
junto con cemento de alto contenido de C3A y que éstas pueden actuar como adiciones activas
en la mezcla de concreto (pueden poseer propiedades puzolánicas dependiendo de sus
características petrográficas).
Neto y Campiteli en su estudio “Influence Limestone Additions on the Rheological
Properties and Water Retention Value of Portland Cement Slurries” (Klieger y Hooton,
1990), determinaron que la presencia de partículas de calizas con tamaños de grano inferiores
a 10µm tienen un gran poder lubricante y que su presencia no afecta la cantidad de agua
necesaria para lograr un determinado asentamiento. Además de estas ventajas ya mencionadas
agregan que los materiales calizos permiten solventar deficiencias en la curva granulométrica,
ayudan a obstruir los poros capilares con lo que se evita la percolación de agua y se mejora la
segmentación de los poros capilares para concretos con altas relaciones agua/cemento lo que
aumenta la durabilidad del concreto. También se observan mejoras en la reología del concreto
debido a que las finas partículas de caliza aumentan la cohesión de la mezcla y además estos
materiales muestran fuertes tendencias a actuar como adiciones activas en el concreto.
En el estudio reciente “Simultaneous Influences of Microsilica and Limestone Powder on
Properties of Portland Cement Paste” (Allahverdi y Shiva, 2010) se demostró que el uso de
polvos calizos incrementan los requerimientos de agua de amasado en morteros debido a la
alta capacidad de absorción que tienen estos polvos, este efecto ocurre para cualquier
porcentaje de polvos calizos usados en la mezcla. También encontraron que este efecto es más
importante en mezclas que contiene cantidades superiores al 12% de microsílice. Los polvos
calizos no sólo afectan la reología del concreto, sino también el desarrollo de resistencia, pues
encontraron que para cualquier porcentaje de polvos calizos usados como sustituyentes de
cemento, la resistencia mecánica disminuye respecto a la mezcla patrón.
JUSTIFICACIÓN
En la actualidad es común el uso de materiales de desecho como agregado en la producción
de concreto, ya sea para disminuir la cantidad de un agregado particular por ser costoso o
porque presenta retos de logística para su disposición en obra. Todo material de desecho
3
puede ser utilizado como carga en concreto siempre y cuando no afecte negativamente las
propiedades mecánicas y durabilidad de éste. Las últimas tendencias en la investigación
científica acerca del uso de nuevos agregados alternativos en concreto están orientadas hacia
el uso de materiales de desecho que permitan disminuir los pasivos ambientales de las
empresas y a disminuir los costos de producción para obtener mejores rendimientos.
Debido a lo anteriormente expuesto, surgió la idea de estudiar si el polvillo arenoso grueso
(PAG) puede ser utilizado como sustituyente de la arena en la fabricación de concreto
premezclado, ya que esto permitiría disminuir los costos de producción del concreto, pues se
utilizaría un material de bajo costo unitario y a la vez se despejaría el patio de agregados de la
planta. De esta forma se disminuye este pasivo ambiental y se aumenta el espacio disponible
para almacenar agregados con mayor valor económico.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La planta de mayor tamaño para la producción de cemento y agregados de la empresa
CEMEX VENEZUELA SACA, empresa en transición, es planta Pertigalete ubicada en
Puerto La Cruz, estado Anzoátegui. La sección de agregados labora con el material de
rechazo de la sección de cementos (material extraído de cantera que no cumple con la
composición química mínima requerida para fabricar cemento) que pasa por un proceso de
trituración primaria en una trituradora de mandíbulas y posteriormente el material pasante
llega a la etapa de trituración secundaria donde se utiliza un impactor para producir el tamaño
de partícula deseado. Esta configuración de la planta no es convencional dado que la sección
de agregados nació debido a la variabilidad de material extraído de cantera y por lo tanto sus
equipos son propios de las operaciones de producción de cemento y no de la producción de
agregados. De aquí el hecho que la trituradora secundaria genera tanto material de rechazo,
pues ésta opera con un 40% de rendimiento, es decir, del total de material que entra al proceso
de trituración el 60% se pierde como desecho en forma de polvillo arenoso grueso (PAG). De
aquí la gran problemática que tiene la sección de agregados pues hay una gran cantidad de
material (PAG) que se almacena en patio y que no se puede comercializar como agregado
para concreto.
4
La gran cantidad de material que se produce como desecho no es el único problema que
representa el PAG para la planta Pertigalete, sino que además por contener una gran cantidad
de fino (producidos en el impactor) contamina los agregados gruesos que también se
almacenan en el patio, pues los vientos de la zona son capaces de arrastrar el material fino y
depositarlo sobre estos últimos. Este hecho ha generado problemas con los agregados gruesos
de tal manera que se han tenido que implementar de manera rutinaria controles de calidad que
generalmente son poco frecuentes en este tipo de agregado, lo que aumenta los costos de
producción. En algunos casos la contaminación del agregado grueso con ultrafinos del PAG
ha generado problemas a la hora del despacho, pues éstos incumplen los requerimientos de
material pasante malla #200.
OBJETIVO GENERAL
El objetivo general de este estudio es evaluar el posible uso del polvillo arenoso grueso
como sustituyente de la arena en el concreto, analizando sus propiedades en estado fresco y
endurecido para determinar la proporción óptima de PAG a usar en el diseño de mezclas con
la finalidad de disminuir la cantidad de desechos de planta Pertigalete y minimizar el costo de
producción del concreto premezclado.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar íntegramente los agregados utilizados en la preparación del
concreto.

Realizar el diseño de mezclas de referencia a ser utilizado para evaluar el efecto
de la sustitución de PAG por arena.

Evaluar el efecto de la sustitución de Arena por distintas fracciones de PAG en
las propiedades del concreto fresco (asentamiento y contenido de aire).

Evaluar el efecto de la sustitución de Arena por PAG en las propiedades del
concreto endurecido (resistencia a la compresión a los 7 y 28 días).

Evaluar los costos asociados al uso de PAG en la mezcla de concreto.
5
El presente trabajo está dividido en capítulos que se presentan de manera lógica y secuencial
para mostrar todo lo referente a la investigación. El capítulo I es una descripción de la
empresa para la que se realizó la investigación, el capítulo II es una síntesis de los aspectos
teóricos necesarios para entender y desarrollar esta investigación. En el capítulo III se
describe la metodología utilizada para desarrollar la investigación, los procedimientos
requeridos para caracterizar los agregados y preparar las mezclas de concreto. Los resultados
obtenidos, sus análisis y contraste se presentan en el capítulo IV. Finalmente se muestran las
conclusiones a las que se llegó al culminar la investigación y las recomendaciones pertinentes
que otros investigadores deben considerar.
CAPÍTULO I
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
En el presente capítulo se describe, de forma resumida, la empresa donde se desarrolló el
trabajo de investigación aquí presentado, mostrando de antemano una pequeña reseña
histórica y posteriormente su visión, misión y objetivos que hacen de CEMEX
VENEZUELA, empresa en transición una empresa líder en Venezuela.
La empresa inicia en 1943 sus operaciones en Venezuela, bajo la denominación social
Corporación Venezolana de Cementos, VENCEMOS. Desde sus comienzos se caracterizó por
mantener altos niveles de excelencia en procesos, productos y en sus recursos humanos,
consolidándose como líder en el mercado nacional y por ser la principal empresa exportadora
de cemento y clínker de Venezuela. En 1994, CEMEX inicia operaciones en Venezuela con la
compra de VENCEMOS, que para aquel entonces era la empresa cementera más grande del
país. En la actualidad CEMEX VENEZUELA pasó a ser administrada por el gobierno
nacional después del proceso de nacionalización iniciado en el 2008 y lleva por nombre
CEMENTOS DE VENEZUELA.
CEMEX VENEZUELA, empresa en transición actualmente produce, distribuye y
comercializa cemento, concreto premezclado, agregados y materiales de construcción. Cuenta
con tres (3) plantas de cementos, ubicadas en Pertigalete (Estado Anzoátegui), Barquisimeto,
(Estado Lara) y Maracaibo (Estado Zulia) así como una Molienda de clínker, ubicada en
Ciudad Guayana (Estado Bolívar). Adicionalmente, abastecen el mercado de concreto
premezclado con una red de unidades de operación y centros de distribución ubicados en todo
el territorio nacional. Además cuenta con nueve (9) Plantas de Agregados a nivel nacional, las
cuales están ubicadas en Pertigalete y Paradero (Estado Anzoátegui), La Concepción, La
Ceiba y ConPiedra (Estado Bolívar), San Joaquín (Estado Carabobo) , Aragüita y Mercedes
de Cúa (Estado Miranda) e Isla de Toas (Estado Zulia).
7
CEMEX VENEZUELA, empresa en transición tiene como misión satisfacer las necesidades
de construcción de Venezuela y crear valores sociales para sus grupos de interés. Su visión es
ser el productor de cemento y concreto premezclado más grande de Venezuela. Por esta razón
sus operaciones están ubicadas estratégicamente para atender los principales centros
demográficos y de exportación. Por ejemplo, la cercanía de sus plantas a la costa les permite
atender a otros mercados de la región.
Cemex Venezuela se esfuerza por alcanzar la excelencia en su desempeño, desarrollando así
relaciones de largo plazo construidas sobre la confianza y valores esenciales de colaboración,
integridad y liderazgo.
La investigación realizada se realizó en el departamento de agregados de CEMEX
Venezuela, cuya estructura organizacional se muestra a continuación:
Dirección
Seguridad Industrial
Soporte Operativo
Gerencia Técnica
Jefe de
Mantenimiento
Planificador Mtto
Aragüita
Jefe de
Calidad
Planificador Mtto
Oriente
Planificador Mtto
San Joaquín
Líder de
Proyecto
Planificador Mtto
La Concepción
Planificador Mtto
Conpiedra
Gerencia de Operaciones
Cluster Centro
(San Joaquín,
Ferrocarril)
Gerencia de Planificación
Minera
Cluster Sur
(Conpiedra,
Concepción, Ceiba)
Cluster Oriente
(PTG, Paradero)
Planificación Ambiental
y Gestión Social
Jefe Exploración
Geológica
Figura 1.1: Estructura organizacional del departamento de Agregados de la empresa CEMEX
Venezuela, empresa en transición.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se desarrollan las bases teóricas necesarias para entender y ejecutar el
presente trabajo de investigación haciendo énfasis en el mecanismo de desarrollo de
resistencias del concreto y en el efecto de los ultrafinos en la reología del concreto.
2.1 EL CONCRETO
El concreto es un material cerámico formado por una matriz continua que tiene la capacidad
de endurecer con el tiempo (mediante reacciones química de hidratación) y que está
constituida por cemento, agua y aditivos. En esta matriz continua está inmersa una segunda
matriz discontinua formada por materiales pétreos a los que se le denomina agregados y
constituyen entre el 70 y 85% de la masa total de concreto. (Porrero et al, 2003).
2.2 LOS AGREGADOS
Los agregados también son conocidos como áridos o inertes ya que no actúan en las
reacciones de hidratación. Generalmente son de origen natural y su calidad depende de las
condiciones geológicas de rocas de la cual se extraen y de los procesos físicos de extracción
utilizados para obtenerlos. (Porrero et al, 2003).
9
En la actualidad se están utilizando como agregados materiales de desecho como es el caso
de agregados obtenidos por trituración de concreto endurecido proveniente de demoliciones
de estructuras. Este tipo de agregados sólo puede ser usado en concretos no estructurales
(Martínez y Mendoza, 2006).
Los agregados se caracterizan principalmente por su composición granulométrica que es
una medida de la distribución de tamaños de partícula que componen al agregado. Este es un
parámetro de control de calidad muy importante a tener en cuenta.
La distribución
granulométrica se determina de forma indirecta mediante el uso de tamices normalizados que
permiten dividir una muestra representativa en fracciones retenidas en cada cedazo y de ahí se
puede determinar su composición granulométrica. La norma COVENIN 255 establece los
requisitos granulométricos tanto para agregados finos como para agregados gruesos, estos
requisitos se muestran en la tabla 2.1.
Tabla 2.1: Límites granulométricos para agregados para concreto exigidos por norma COVENIN 255
(en porcentajes pasantes).
Arena
3/8”
#4
#8
#16
#30
#50
#100
#200
Mínimo
100
95
80
50
25
10
2
0
Máximo
100
100
100
85
60
30
10
3
Arrocillos y Polvillos (3/8”-0)
3/8”
#4
#8
#16
#30
#50
#100
#200
Mínimo
95
60
40
25
15
10
5
0
Máximo
100
90
60
40
30
25
20
15
Piedra 1”
1”
3/4”
1/2”
3/8”
#4
Mínimo
90
50
15
0
0
Máximo
100
90
45
20
7
En la práctica es usual dividir los agregados en dos partes: una constituida por los agregados
de grano fino denominado arena y la otra formada por agregados de grano grueso a la que se
10
le denomina agregado grueso o grava. La mezcla de estas dos fracciones debe cumplir las
exigencias de las normas de construcción, por esta razón se define un parámetro de mezclado
de los agregados que se denomina factor beta (β).
(2.1)
Valores altos del factor beta indican granulometrías finas más estables y menos propensas a
la segregación, pero más costosas. Mientras que valores bajos del factor beta indican
granulometrías gruesas más económicas con mayor fluidez, pero poco estables y con posibles
problemas de segregación (Porrero et al, 2003).
Otra característica del agregado es el tamaño máximo de sus partículas que se define como la
menor abertura del cedazo por la cual pasa más del 95% del agregado grueso. Este influye en
la economía del concreto, pues sólo es práctico utilizar el mayor tamaño máximo que la
geometría del elemento vaciado permite cuando la resistencia mecánica del concreto está por
debajo de los 210Kgf/cm2, pues a medida que aumenta la resistencia mecánica del concreto
un aumento del tamaño máximo produce un aumento de la dosis de cemento requerida y por
lo tanto genera un concreto más costoso. Por regla general, es recomendable usar agregados
con tamaños máximos menores a una pulgada cuando la resistencia necesaria es mayor a 350
Kgf/cm2. (Porrero et al, 2003).
Para las arenas existe un parámetro que mide de forma ponderada el tamaño de grano
promedio y se denomina módulo de finura que se obtiene al sumar los porcentajes
acumulados retenidos en los cedazos de la serie normativa COVENIN y dividirlos por cien
(sin considerar el cedazo #200). El módulo de finura debe estar entre 2,3 y 3,1 para que esté
dentro de la granulometría especificada por norma. Módulos de finura inferiores a 2,0 indican
arenas muy finas, mientras que un valor por encima de 3,1 indica arenas muy gruesas lo que
puede generar deficiencias granulométricas que pueden generar concretos poco estables con
alta tendencia a la segregación. (Porrero et al, 2003).
11
A las partículas del agregado que pasan la malla #200 (tamaños de partícula menor a 74
micrómetros) se les denomina ultrafinos y según la norma COVENIN 255 debe estar
limitados a un máximo del 3% en arenas. Los ultrafinos por ser polvos pasan a formar parte
de la pasta afectando la fluidez del concreto, aumentando los requerimientos de agua, sobre
todo si son de origen calizo por las características untuosas que le confieren a la pasta. En
estudios recientes se ha observado que el uso de materiales calizos en concretos favorece el
desarrollo de las resistencias mecánicas, pero su influencia está condicionada por el tamaño
de grano de la caliza, pues los estudios arrojaron que calizas finamente molidas con tamaño
de grano entre 45 y 90 micrones generan mejores resistencias mecánicas que los agregados
calizos con tamaños menores. (Moraño, 2006).
El contenido de materia orgánica en los agregados puede generar grandes problemas en el
concreto desde problemas estéticos porque grandes cantidades de materia orgánica generan
manchas en las superficies de elementos de concreto de obra limpia hasta retrasos en el
fraguado y problemas en el desarrollo de resistencias. La materia orgánica puede actuar como
pantalla entre la pasta del cemento y los agregados reduciendo la adherencia entre éstos lo que
genera una pérdida de resistencia mecánica, pero también puede actuar como pantalla entre
los granos de cemento y el agua de mezclado impidiendo las reacciones de hidratación y por
lo tanto afectando los tiempos de fraguado. Por esta razón es muy importante conocer el
contenido de material orgánico, especialmente del agregado fino, para evitar los problemas
mencionados. (Neville, 1986).
Dependiendo de las condiciones geológicas que imperaron durante la formación de la roca
madre de la cual se extraen los agregados, es posible que éstos desarrollen una tendencia a
reaccionar con los sulfatos del medio que los rodea, estas reacciones generalmente producen
disolución del agregado lo que genera pérdida de masa del concreto. Esta sensibilidad del
agregado a reaccionar con los sulfatos se denomina disgregabilidad. Este es un parámetro de
control de calidad que se realiza con poca frecuencia una vez que es conocida la cantera de
donde se extraen los agregados, pero que es muy importante cuando se desea estudiar la
factibilidad de usar un cierto agregado en el concreto. Según la norma COVENIN 277 está
permitido como máximo una pérdida de masa de 10 % del agregado si se evalúa la
desgregabilidad con sulfato de sodio y del 15% si se evalúa con sulfatos de magnesio.
12
Como el concreto está compuesto mayoritariamente por agregados, la resistencia del
concreto está íntimamente relacionada con la resistencia del agregado, de ahí la importancia
de determinar la resistencia del los materiales pétreos utilizados para fabricar el concreto. Una
medida de la resistencia del agregado grueso se determina mediante el ensayo de desgaste de
los Ángeles que según norma COVENIN 277 permite como máximo un desgaste del 40%.
Este porcentaje de material desgastado se ve fuertemente afectado por la presencia de
partículas planas y alargadas, estas partículas se definen como todas aquellas cuya máxima
dimensión dividida entre su menor dimensión sea mayor a tres (3). Esta definición solamente
aplica para el agregado grueso y su contenido en agregados para concreto está restringido al
25% en peso. Para determinar la morfología del agregado fino se utiliza una técnica más
compleja que permite determinar la superficie específica mediante la técnica del azul de
metileno.
La humedad se define como la cantidad de agua adsorbida sobre la superficie del agregado
y que tiene la capacidad de actuar como agua de mezclado una vez preparada la mezcla de
concreto. La humedad del agregado fino es más sensible a las condiciones atmosféricas que la
humedad del agregado grueso debido a que este último tiene menor superficie especifica. Por
esta razón es muy importante determinar la humedad del agregado fino al inicio del día antes
de realizar la primera mezcla de concreto, esto con la finalidad de hacer la corrección en el
agua de mezclado y así no afectar la resistencia del concreto. (Porrero et al, 1979).
La densidad de los agregados se utiliza para dosificar las mezclas diseñadas por el método
del manual del concreto estructural donde se considera el volumen absoluto que ocupa cada
componente de la mezcla. (Porrero et al, 2003).
La absorción de los agregados se requiere para determinar la humedad absoluta de los
agregados cuando se determina la humedad según una base de cálculo del agregado seco, pues
en el diseño de mezclas se considera que el agregado se encuentra en estado de saturado con
superficie seca, es decir, no tiene la capacidad de absorber agua. Es de suma importancia
manejar los valores de absorción reales de cada agregado para evitar pérdidas de asentamiento
no relativas al diseño, pues los agregados secos tienden a absorber agua lo que genera una
13
pérdida de asentamiento causado por fallas en el control de calidad de los agregados y no
inherente a la calidad del mismo.
En cuanto al peso unitario suelto (PUS) se utiliza para determinar la cantidad, en metros
cúbicos, de agregado que hay en una tonelada. Es útil para determinar el espacio requerido en
patio para almacenar el agregado que entra a la planta de concreto premezclado. El peso
unitario compacto (PUC) se utiliza para dosificar el agregado grueso en mezclas de concreto
diseñadas según el comité 211 de la ACI (American Concrete Institute). Este método de
diseño dosifica los agregados finos en base al módulo de finura del mismo sin considerar la
distribución granulométrica exigida por norma COVENIN 255.
La colorimetría es un método indirecto para determinar la presencia de impurezas orgánicas
en los agregados finos para concreto con la finalidad de descartar posibles problemas en el
desarrollo de resistencias a edades tempranas y en la aparición de manchas oscuras en
elementos de concreto de obra limpia (Neville,1986).
2.3 EL AGUA
El agua es un componente imprescindible para el concreto, ya que gracias a ella se
desarrollan las reacciones de hidratación del cemento, hace fluida y trabajable la mezcla de
concreto y propicia el desarrollo de resistencia del concreto endurecido durante la etapa de
curado. Por tan importante rol que desempeña el agua en el concreto, se debe cuidar que ésta
esté libre de impurezas y contaminantes que afecten la fluidez, fraguado y durabilidad del
concreto.
En la tabla 2.2 se muestran los requisitos que debe cumplir el agua para ser utilizada en la
fabricación de concreto.
14
Tabla 2.2: Requerimientos establecidos por norma COVENIN 2385 para el agua de mezclado.
Impurezas
Contenido máximo (ppm)
Sólidos disueltos
5000
Cloruros
500-2000
Materia orgánica
250-5000
pH
5-7,5
2.4 EL CEMENTO
El cemento es el componente que permite el desarrollo de la resistencia mecánica del
concreto y el componente con mayor costo unitario en la mezcla. El cemento se obtiene de la
calcinación de piedra caliza y arcilla a temperaturas cercanas a los 1450ºC para promover la
sinterización, seguidamente se somete a un enfriamiento brusco para obtener especies
químicas con fases metaestables. El producto obtenido de esta forma se denomina clinker y
éste debe ser sometido posteriormente a un proceso de molienda donde se adiciona yeso con
la finalidad de controlar el falso fraguado del cemento durante el mezclado de concreto
(Taylor, 1967).
El cemento portland está compuesto principalmente por cinco (5) especies mineralógicas
que se muestran en la tabla 2.3.
15
Tabla 2.3: Composición mineralógica del cemento portland y las características principales de los
mismo.
Componente
Cantidad
Calor de
Características principales
hidratación
(cal/g)
C3 S
25-55
120
Alita
C2 S
hidratación
15-50
62
Belita
C3 A
Altas resistencias iníciales y alto calor de
Desarrollo lento de resistencias y moderado calor
de hidratación
<5-15
207
Responsable del falso fraguado, muy alto calor de
hidratación y responsable de la sensibilidad a los
sulfatos
C4AF
5-15
100
Favorecer la clinkerización por ser formador de
fase líquida. No aporta resistencias
Yeso
5-8
(CsH2)
-----
Controla el falso fraguado del cemento y es
responsable de la sensibilidad a los sulfatos
Por ser la piedra caliza la principal materia prima para la obtención del cemento y debido a
los problemas ambientales que se han generado por la industrialización (calentamiento
global), en la actualidad se busca minimizar el consumo de cemento en la producción de
concreto, ya que producir un kilogramo de cemento implica liberar a la atmosfera 980 gramos
de CO2 que es el principal gas de efecto invernadero. De aquí, el interés por optimizar el
diseño de mezclas de concreto para minimizar la dosis de cemento y la búsqueda incansable
por obtener materiales cementantes alternativos (Bolívar, 2008).
2.5 LOS ADITIVOS
Se considera aditivo a todo aquel componente que se añade en pequeña proporción durante
el mezclado del concreto con la finalidad de modificarle las propiedades en estado fresco o
endurecido.
16
Los aditivos tienen campos específicos de acción, por esta razón existen diferentes tipos
dependiendo de la propiedad que modifican en el concreto. En la tabla 2.4 se listan los
diferentes tipos de aditivos que existen y su efecto sobre la mezcla de concreto.
Tabla 2.4: Tipos de aditivos y su efecto en la mezcla de concreto.
Tipo
Efecto
A
Reductores de agua
B
Retardantes de fraguado
C
Aceleradores de fraguado
D
Reductores de agua y retardantes de fraguado
E
Reductores de agua y acelerantes de fraguado
F
Reductores de agua de alto rango (superplastificantes)
G
Reductores de agua de alto rango y retardadores
Tomado de la tabla VII.1 del manual del concreto estructural, pag. 168.
En el presente trabajo de investigación se utilizaron dos (2) aditivos diferentes, uno como
reductor de agua (plastificante) y otro como retardante de fraguado. Es importante destacar
que los aditivos retardantes de fraguado generalmente actúan como plastificantes a bajas
dosis, por esto se debe determinar la eficiencia del aditivo plastificante al utilizarlo en
conjunto con un aditivo retardante de fraguado.
2.5.1 Aditivo reductor de agua (POLYHEED 755)
El POLYHEED 755 es un aditivo reductor de agua de rango medio fabricado por BASF,
este aditivo que permite reducir el agua hasta en 20% manteniendo el asentamiento,
mejorando la colocabilidad, el acabado y minimizando la exudación del concreto.
Se recomienda usar dosis entre 195mL y 780mL de aditivos por cada 100Kg de material
cementante. Si se desea un efecto reductor de agua convencional se recomienda el uso de
17
195mL a 325mL por cada 100Kg de cementante, pero si se requiere una reductor de agua de
rango medio se aconsejable usar entre 325mL y 780mL para lograr bueno resultados.
El aditivo POLYHEED 755 está formulado en base a etilendiamida como agente activo.
2.5.2 Aditivo retardante de fraguado (POZZOLITH 2205)
El POZZOLITH 2205 fabricado por BASF, está formulado en base a trietanolamina y
dietanolamina como agentes activos. Se recomienda usar en dosis entre 130mL y 325mL por
cada 100Kg de material cementante. Este aditivo mejora la trabajabilidad y reduce la
segregación de la mezcla.
2.6 PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO
La dosificación de los componentes de la mezcla de concreto debe realizarse de manera tal
que se garantice una colocabilidad, resistencia, durabilidad y densidad adecuada para cumplir
las exigencias de la estructura que se construirá. (Olivares et al, 1975).
La colocabilidad es una definición amplia que abarca los conceptos de trabajabilidad y
consistencia. Se denomina trabajabilidad a la propiedad del concreto que determina la
capacidad que posee una mezcla para permitir el vaciado, la debida compactación y la
obtención de un acabado satisfactorio sin correr riesgos excesivos de segregación y
exudación. Esta propiedad se mide de manera cualitativa y se reconoce en base a la
experiencia práctica. La consistencia es la humedad de la mezcla y se mide cuantitativamente
en términos del asentamiento. (Olivares et al, 1975).
La segregación es la tendencia natural que poseen los componentes de la mezcla de concreto
a separarse generando problemas de uniformidad y homogeneidad que se traducen en pérdida
18
de colocabilidad y durabilidad del concreto. La segregación depende fuertemente de la
granulometría del agregado combinado, concretos con bajos factores beta son muy propensos
a la segregación, pérdida de cohesión y moldeabilidad. En tanto, factores beta muy altos
favorecen la cohesión y la moldeabilidad aunque las mezclas tienden a tornarse pastosas
debido a una alta viscosidad. (Olivares et al, 1975).
2.7 PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO
No sólo la facilidad para colocar, compactar y acabar un elemento fabricado con concreto es
la meta de un método de diseño particular, sino que también se cumpla con los requerimientos
de durabilidad, permeabilidad y resistencia establecidos.
La durabilidad es la capacidad del concreto para resistir los factores ambientales que pueden
reducir su capacidad de servicio como lo son los ciclos de congelamiento y deshielo, agentes
químicos agresivos provenientes del suelo que sustenta las bases de una edificación, el lavado
con agua de mar entre otros. Debido a estos factores se busca hacer concretos con baja
permeabilidad, la cual se logra reduciendo la relación agua/cemento, pero esta técnica
produce concretos con problemas de fluidez y muy costosos por lo que actualmente es más
eficiente usar adiciones activas como microsílice o cenizas volantes como agentes
impermeabilizantes lográndose mejores efectos que modificando otros parámetros ya
mencionados (Nilforoushan, 2005).
Para evaluar la calidad de una mezcla de concreto se debe realizar un monitoreo del
desarrollo de resistencia del concreto a las edades convencionalmente de 3, 7, 14, y 28 días.
De esta forma se tiene un registro total de la resistencia alcanzada y de la velocidad con la que
evoluciona la resistencia mecánica. En concreto se determina la resistencia mecánica
mediante ensayos de compresión uniaxial y ésta se toma como el promedio aritmético de al
menos dos cilindros ensayados a la misma edad y con resultados que tengan una desviación
estándar inferior a 8Kgf/cm2 para garantizar resultados confiables. (Norma COVENIN 338,
2002).
19
2.8 DISEÑO DE MEZCLAS
El diseño de mezclas es una secuencia metodológica que permite determinar la cantidad de
cada uno de los componentes que integrarán la mezcla de concreto con la finalidad de obtener
un material con el comportamiento deseado tanto en estado fresco como en estado
endurecido. Cualquier diseño de mezclas debe estar orientado en la búsqueda de la economía
y la manejabilidad de la mezcla siempre cumpliendo con los requisitos de resistencias y
durabilidad. (Porrero et al, 2003).
Las dosificaciones obtenidas por cualquier método de diseño de mezclas deben ser
consideradas únicamente como un punto de partida y no como una dosificación final, pues
ésta se debe conseguir en base a mezclas de pruebas que permitan realizar los ajuste
necesarios para adaptarse a los agregados que se están usando y a las condiciones ambientales
donde se elaboran las mezclas. Los métodos de diseños de mezclas sólo permiten
dimensionar, a grosso modo, la cantidad de los componentes, pero en ningún momento éstos
deben ser tomados de una forma estricta porque estos métodos para ser accesibles a cualquier
operador deben ser de fácil manejo y operatividad y por ende no pueden considerar todas las
variables intrínseca a los materiales usados, pues el grado de complejidad sería elevado y el
método perdería cualquier aplicabilidad por ser poco práctico aunque muy preciso.
2.9 MECANISMO DE HIDRATACIÓN Y DESARROLLO DE RESISTENCIAS.
La hidratación es un proceso de transformación química de los componentes sintéticos del
cemento Portland en sílico-aluminatos precipitados. Este cambio químico se inicia
inmediatamente después de mezclar el cemento con agua y genera calor debido a la liberación
de energía de las fases metaestables obtenidas por el enfriamiento rápido del clinker. En la
figura 2.1 se muestra la evolución del calor de hidratación en función del tiempo.
20
Figura 2.1: Evolución del calor de hidratación con el tiempo.
Tomado del “Curso de Cemento” del Departamento de agregados, Cemex Venezuela.
El primer pico que se observa en la figura 2.1 se debe a la hidratación instantánea del
aluminato tricálcico (C3A) antes de ser controlada por la precipitación de sulfoaluminatos en
la superficie del grano de cemento. Este pico es característico del aluminato tricálcico, pues
este es el componente del cemento que tiene la mayor velocidad de hidratación y el que
también libera mayor cantidad de energía como se aprecia en la tabla 2.3. Los iones sulfato
provienen de la disolución del yeso (CsH2) reaccionan con el aluminato tricálcico para formar
una barrera física entre la partícula de cemento y el agua que se denomina etringita
(C6As3H31) y que es responsable de los problemas de susceptibilidad del concreto
a
concentración de sulfatos del medio. La ecuación 2.2 mostrada a continuación representa la
reacción química antes descrita.
C3A + 2CsH2 + 25H → C6As3H31
(2.2)
La hidratación descontrolada del aluminato tricálcico es muy breve, sólo dura unos minutos,
y generalmente no se aprecia porque ocurre durante el mezclado del concreto, por esta razón
se debe garantizar un mezclado constantes durante los primeros 5 minutos para evitar
problemas de falso fraguado (Taylor, 1967).
21
Los demás componentes del cemento también reaccionan al estar en contacto con el agua,
pero a una velocidad mucho menor y el proceso de hidratación se ve retardado debido a la
formación de una delgada película de sílico-aluminatos (Tobermorita) que cubren a la
partícula de cemento. Esta etapa se conoce como periodo durmiente y es la etapa donde el
concreto manifiesta sus propiedades en estado fresco y permite el vaciado, compactación y
acabado. En la figura 2.1 se representa el periodo durmiente como la zona 2. Este periodo
suele durar entre 40 y 120 minutos dependiendo de la finura del cemento y de la temperatura
del medio. (Taylor, 1967).
Durante el periodo durmiente las reacciones de hidratación continúan desde afuera hacia
adentro en la partícula de cemento y la capa formada a su alrededor crece a expensas del
consumo de agua por las reacciones, formación de portlandita (CH) y sílico-aluminatos (C-SH), de esta forma la mezcla comienza a perder fluidez y se torna plásticas siendo esto el inicio
del fraguado del concreto. Las reacciones de hidratación prosperan y los compuestos sílicoaluminatos comienzan a formar una red entrelazada que aporta la resistencia del concreto.
Las reacciones químicas de hidratación del silicato tricálcico (C3S) ocurren en
aproximadamente 30 días, por esta razón es que la resistencia del concreto se normalizó a los
28 días de curado. La reacción de hidratación de la alita se muestra en la ecuación 2.3:
2C3S+ 6H→C3S2H3+3CH
(2.3)
La belita al igual que la alita también se hidrata y aporta en la resistencia del concreto, pero
su velocidad de hidratación es más lenta y demora un (1) año en desarrollar toda su resistencia
potencial. Es por esta razón que si al concreto se le garantiza un suministro continuo de agua,
éste continuará ganando resistencias. La ecuación 2.4 muestra la reacción de hidratación de
silicato dicálcico.
2C2S+ 4H→C3S2H3+CH
(2.4)
22
Como se puede apreciar en las ecuaciones 2.3 y 2.4 existe un subproducto de hidratación
que se denomina Portlandita (hidróxido de calcio) que no influye en la resistencia mecánica
del concreto, pero que afecta la durabilidad del mismo en condiciones donde el concreto está
en contacto con el agua marina debido a que el agua de mar es pobre en calcio, pero rica en
magnesio y por esto ocurre un proceso de lixiviación de calcio. La reacción de
desplazamiento de la portlandita por brucita (Mg(OH)2) implica un cambio de volumen del
100% lo que introduce esfuerzo de tracción en la matriz del concreto que pueden generar
agrietamiento y pérdidas de servicio de las estructuras de concreto. En la ecuación 2.5 se
indica la reacción de lixiviación de calcio por acción del agua de mar.
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4
(2.5)
La solución para asegurar la durabilidad del concreto es minimizar la cantidad de
portlandita libre que existe en la matriz del concreto, por esta razón se debe garantizar una
cantidad suficiente de arena que aporte sílice al concreto para que la portlandita reaccione
generando tobermorita secundaria que si aporta resistencia al concreto y mejora la durabilidad
del mismo sin disminuir la relación agua/cemento. El efecto de la presencia de sílice en los
agregados finos se muestra en la ecuación 2.6.
CH + S → C-S-H
(2.6)
En la actualidad el suministro de agregados de buena calidad se ha reducido debido al
agotamiento de las fuentes y a problemas ambientales para la explotación de nuevas canteras
y saques, aunque la demanda del concreto se ha incrementado rápidamente con el aumento de
la población. Por esta razón, es imperativo tratar de utilizar materiales que en tiempos pasados
era impensable usarlos como agregados para concreto siempre garantizando la durabilidad y
confiabilidad en el concreto.
23
2.10 EFECTO DE LOS ULTRAFINOS EN LA REOLOGÍA DEL CONCRETO.
Los ultrafinos presentes en los agregados para concreto pueden tener grandes beneficios para
la mezcla de concreto, siempre que éstos estén compuestos por materiales silíceos o calizos,
pues las arcillas tienden a generar problemas de hidratación del cemento y pérdida de
adherencia entre la pasta y los agregados (Porrero et al, 2003).
Los ultrafinos por ser polvos influyen sobre el mecanismo de lubricación del concreto en
conjunto con el cemento, pues tienen la capacidad de formar pasta, favoreciendo la estabilidad
de la mezcla y mejorando la trabajabilidad del concreto. Por ser agentes modificadores del
mecanismo de lubricación tienen la capacidad de
alterar la relación agua/cemento,
disminuyéndola, en forma proporcional a la presencia de los mismos en la mezcla. De esta
forma incrementan los requerimientos de agua de mezclado necesarios para obtener un
asentamiento deseado, favoreciendo por otra parte la retracción y la exudación del concreto.
(Porrero et al, 2003).
CAPÍTULO III
DISEÑO EXPERIMENTAL
Este
capítulo contiene el marco metodológico utilizado para alcanzar los objetivos
planteados. Aquí se desarrolla la metodología aplicada para el diseño de mezclas siguiendo
tres (3) métodos distintos de diseño, también se describe en forma resumida los
procedimientos experimentales utilizados para la caracterización de los agregados. Los
materiales y equipos usados durante el desarrollo del presente trabajo de investigación.
3.1 MATERIALES
En la tabla 3.1 se listan los materiales utilizados para desarrollar el presente trabajo de
investigación, cada agregado fue muestreado en una cantidad suficiente para componer una
pila de material que sería íntegramente caracterizado y que alcanzara para realizar todos los
ensayos y mezclas.
Tabla 3.1: Agregados
Agregado
Cantidad (Kg)
Procedencia
Fecha de muestreo
Arena lavada de río
1000
Barcelona
15-03-2010
Polvillo piedra
600
Pertigalete
04-03-2010
PAG
500
Pertigalete
04-03-2010
Piedra 1”
1200
Pertigalete
04-03-2010
En la tabla 3.2 se muestran las propiedades características de los aditivos usados, las cuales
son necesarias para el diseño de mezclas.
25
Tabla 3.2: Aditivos y propiedades requeridas para el diseño de mezclas
Aditivo
Gravedad
Eficiencia
específica
Reductor de agua
Dosis usada (% respecto al
contenido de cemento)
1,068
7
0,4806
1,19
3
0,357
POLYHEED 755
Retardante de fraguado
POZZOLITH 2205
3.2 EQUIPOS
En la tabla 3.3 se listan los equipos utilizados para realizar los ensayos de caracterización y
mezclado de concreto a nivel de laboratorio.
Tabla 3.3: Equipos
Equipo
Marca
Modelo
Trompo mezclador
SIVETI
BABY C-190
Máquina de ensayos
ELE International
1887A002
Controls
-------------
Controls
------------
FORNEY
LA-0316
Estufa
HALER
-----------
Balanza
OHAUS
XK-B1
Báscula
OHAUS
TS4000D
Cedazos
ASTM
Diámetro 8”
Vernier
MITUTOYO
-----------
Termómetro
SPERS
76 mm
mecánicos
Tamizadoras agregados
finos
Tamizadora agregados
gruesos
Recipiente para medir
contenido de aire
26
Además de los equipos antes mostrados se utilizaron pala, palustres, cepillos de alambre,
escobas, entre otros, pero no se mencionan debido a que su uso no influye en la
reproducibilidad de los resultados obtenidos en el presente estudio.
3.3 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
La línea de producción de agregados de planta Pertigalete (PTG) produce un 60% de
polvillo arenoso grueso (PAG) que es considerado un desecho por su alto contenido de
ultrafinos. Por esta razón, se estudió la factibilidad del uso del PAG como sustituyente de la
arena en el concreto premezclado. Para alcanzar dicho objetivo, el estudio se dividió en fases
interrelacionadas que se describen a continuación:
Primera fase: Caracterización química y física de los agregados usados en el concreto
(arena, piedra, arrocillo y PAG). Los ensayos realizados para caracterizar los agregados se
muestran en la tabla 3.4.
Tabla 3.4: Ensayos físicos y químicos a ser realizados para caracterizar los agregados.
Ensayo
PAG
Arena
Polvillo
Piedra
Composición química (FRX)
x
x
Distribución granulométrica (COVENIN
x
x
x
x
200
x
x
x
x
Densidad y Absorción (COVENIN 268 y
x
x
x
x
255)
Contenido
de
material
pasante
(COVENIN 258)
269)
Contenido de Partículas Planas (COVENIN
x
264)
Colorimetría (COVENIN 256)
x
x
x
Contenido de humedad
x
x
x
Desgaste “Los Ángeles” (COVENIN 266)
x
x
27
Para determinar la composición química del polvillo arenoso grueso (PAG) se visitó la
planta Pertigalete y se realizó un muestreo al azar en toda la extensión de la pila. En total se
tomaron 12 muestras de unos 45 Kg cada una. De estas muestras se tomó una porción de
aproximadamente 1 Kg y se envió al laboratorio de control de calidad de Cementos para
determinar la composición química mediante Fluorescencia de Rayos X (FRX).
De los ensayos realizados durante la caracterización del material resultaron críticos la
composición granulométrica y la determinación de la densidad, pues éstos son parámetros que
dictaminan cual será el diseño de mezclas, sobre todos porque se desea conocer la cantidad
óptima de PAG a ser utilizada en la mezcla.
Segunda fase: Diseño de mezclas usando distintas proporciones de PAG como sustituyente
de la arena.
Para estudiar la influencia del PAG como sustituyente de la arena en el concreto se tomó
como referencia una mezcla de concreto elaborada con la arena, el arrocillo y piedra de
Pertigalete. Los parámetros de diseño de dicha mezcla se muestran en la tabla 3.5.
Tabla 3.5: Parámetros básicos para el diseño de mezcla patrón.
Resistencia mecánica normalizada
250 Kg/cm^2
Asentamiento en cono de Abrams
5 pulgadas
Tamaño máximo de agregado
1 pulgada
Aire incluido
NO
Las mezclas de estudio estaban compuestas por cuatro (4) agregados distintos que son:
arena lavada de río proveniente de los Olivos 3 en Barcelona, arrocillo de Pertigalete (polvillo
piedra), piedra triturada de planta Pertigalete y polvillo arenoso grueso (PAG), también de
planta Pertigalete. Para determinar la cantidad de agregados a ser usados en la mezcla, se
asumió una ley de mezclas que se describe a continuación:
28
El agregado fino total (F) a ser usado en la mezcla estaba compuesto por una fracción de
arrocillo (Ar) y una fracción de arena modificada (Am).
F=λ*Ar+(1-λ)*Am
(3.1)
Donde:
F: Agregado fino (% pasante)
Ar: Arrocillo (% pasante)
Am: Arena Modificada (% pasante)
λ: Fracción de arrocillo en el agregado fino (adim)
La arena modificada como tal estaba compuesta por una fracción de arena lavada de rio (A)
y una fracción de PAG.
Am = γ*PAG + (1-γ)*A
(3.2)
Donde:
Am: Arena Modificada (% pasante)
A: Arena lavada de río (% pasante)
PAG: Polvillo Arenoso Grueso (% pasante)
γ: Fracción de PAG que sustituye a la arena lavada de río.
De la combinación de las dos ecuaciones anteriores se obtuvo la ley de mezclas de los tres
(3) agregados que constituyen el agregado fino utilizado en el diseño y elaboración de las
mezclas de prueba.
F = λ*Ar+(1- λ)*γ*PAG + (1- λ)* (1-γ)*A
(3.3)
29
3.3.1 Método del manual del concreto estructural
El agregado total (MAT) utilizado en el concreto estaba compuesto por una parte de
agregado fino total (F) y piedra de triturada (P) de planta Pertigalete.
MAT = β*F+(1-β)*P
(3.4)
Donde:
MAT: Mezcla de agregado grueso y fino (% pasante)
F: Agregado fino (% pasante)
P: Piedra de planta Pertigalete. (% pasante)
β: Factor beta de mezclado de los agregados fino y grueso. (adim)
De esta forma la mezcla de agregado combinado se describe mediante la siguiente ecuación:
MAT= β* λ *Ar+ β*(1- λ)*γ*PAG+ β*(1- λ)* (1-γ)*A+(1-β)*P
(3.5)
Las fracciones de PAG que su utilizaron en el diseño de mezclas se determinaron por tanteo
mediante el uso de un programa en Excel, de forma tal que la mezcla de agregados (MAT)
estuviese dentro del rango de distribuciones granulométricas permitidas según norma
COVENIN 277 para un tamaño máximo de una pulgada (Ver tabla 3.5).
Usando el método de diseño por peso descrito en el manual de concreto estructural se
determinaron las cantidades de los componentes de la mezcla. Este proceso se describe a
continuación:
30
Conocida la distribución granulométrica de los agregados se procedió a calcular el rango de
factores beta (β) en la que se pueden utilizar los agregados partiendo de los rangos
recomendados por “El manual del concreto fresco”, 1979.
Tabla 3.6: Límites granulométricos recomendados para agregados mezclados y tamaño máximo de
una pulgada.
Cedazo
1”
¾”
½”
3/8”
#4
#8
#16
#30
#50
#100 #200
Mínimo
90
70
55
45
30
20
15
10
5
1
0
Máximo
100
90
75
68
55
45
35
25
16
8
5
Se calculó un factor beta (β) para cada cedazo, tanto mínimo como máximo, y del conjunto
de factores beta mínimo se escogió el máximo valor. Del conjunto de factores beta máximo se
tomó el mínimo.
βmin=(Pmin-Ppiedra)/ (Pfino-Ppiedra)
(3.6)
βmax=(Pmax-Ppiedra)/ (Pfino-Ppiedra)
(3.7)
El factor beta (β) a ser utilizado en la mezcla fue un valor común para todas las mezclas
preparadas incluida la mezcla patrón, esto se hizo para conservar la proporción entre los
agregados y de esta forma solamente estudiar el efecto de la sustitución de arena por PAG sin
tener efectos no considerados debidos a cambios en la gradación de la mezcla.
La resistencia mecánica promedio del concreto se calculó de las siguientes ecuaciones
proporcionadas por la norma COVENIN 1753 sección 5.4.2.1.
Fcr = Fc + 1,34ζ
(3.8)
31
Fcr = Fc + 2,34ζ -35
(3.9)
Donde:
Fc: Resistencia de diseño (Kgf/cm2)
Fcr: Resistencia mecánica media del concreto (Kgf/cm2)
ζ: Desviación estándar. (Kgf/cm2)
Del resultado de estas ecuaciones se tomó el mayor valor de la resistencia mecánica media
teniendo en cuanta que la desviación estándar de al menos 30 ensayos consecutivos para
concreto en la planta SIMPCA, Puerto Ordaz es de 35 Kgf/cm2. Según los requerimientos de
la norma COVENIN 1753 que establece que el concreto estructural no debe ser diseñado con
una fracción defectuosa superior al 9%, en base a esto, la resistencia a la compresión a los 28
días debería ser de 300KgF/cm2.
Una vez definida la resistencia mecánica media del concreto a elaborar se determinó la
relación agua/cemento (α) mediante el uso de la Ley de Abrams.
α= 3,147-1,065*log (Fcr)
(3.10)
Esta ecuación es válida para agregados gruesos calizos triturados y arena lavada de rio.
Por ser el agregado fino una mezcla de agregados triturados y naturales se utilizó un factor
de corrección para la relación agua/cemento, se tomó el factor de corrección más conservador
para evitar posibles problemas en el desarrollo de resistencias del concreto.
32
Tabla 3.7: Factores de corrección de la relación agua/cemento por tipo de agregados.
Tipo de agregado
Factor de corrección (Ka)
Arena triturada con piedra triturada
1.14
Tomado de la tabla VI.8 del Manual del concreto estructural, 2003.
De esta forma la relación agua/cemento se expresa de la siguiente forma:
αc = Ka*α
(3.11)
Donde:
αc: Relación agua/cemento corregida por tipo de agregado (adim)
Ka: Factor de corrección de la relación agua/cemento por tipo de agregado. (adim)
Al utilizar un aditivo reductor de agua se debió recalcular la cantidad de agua de amasado
necesaria en la mezcla. El aditivo no sólo tiene efecto sobre la cantidad de agua de amasado,
sino que también actúa sobre la resistencia mecánica esperada debido a que al disminuir el
agua de amasado y mantener la dosis de cemento se afecta la relación agua/cemento
(disminuye) lo que incide directamente sobre la resistencia mecánica esperada.
Según el manual del concreto estructural, el efecto de los aditivos reductores de agua se
cuantifica calculando una relación agua/cemento modificada por el efecto del aditivo, y este
cálculo depende exclusivamente de la eficiencia del mismo. A su vez la eficiencia de los
aditivos depende de su dosificación en base a la dosis de cemento.
αm = αc*(1-η)
Donde:
αm: Relación agua/cemento modificada (adim)
(3.12)
33
αc: Relación agua/cemento corregida por tipo de agregado (adim)
η: Eficiencia del aditivo (adim)
Conocida la relación agua/cemento se procedió a calcular la dosis de cemento (C) necesaria
en la mezcla mediante la ecuación que describe la relación triangular.
C=117,2*T0,16*αm-1,3
(3.13)
Donde:
C: dosis de cemento (Kg/m^3)
T: Asentamiento medido en cono de Abrams (cm)
αm: Relación agua/cemento modificada (adim)
Esta ecuación es válida para asentamientos entre 1 y 8 pulgadas y para agregados gruesos
calizos triturados y arena lavada de rio.
Al igual que la relación agua/cemento, la dosis de cemento requirió ser corregida por tipo de
agregado, para lo cual se aplicó el mismo criterio anterior.
Tabla 3.8: Factores de corrección para la dosis de cemento debido al tipo de agregado.
Tipo de agregado
Factor de corrección (B)
Arena triturada con piedra triturada
1.28
Tomado de la tabla VI.12 del Manual del concreto estructural, 2003.
De esta forma la dosis de cemento se expresa de la siguiente forma:
Cc = B*C
(3.14)
34
Donde:
Cc: Dosis de cemento corregida por tipo de agregado (Kg/m^3).
B: Factor de corrección de la dosis de cemento por tipo de agregado. (adim)
Aunque el concreto sea colocado y compactado con las técnicas apropiadas, siempre
contendrá una cierta cantidad de aire atrapado (este aire no es incluido o incorporado) que
afecta los cálculos de volumen absoluto de la mezcla. Según el manual del concreto
estructural la cantidad de aire atrapado se puede cuantificar mediante la siguiente expresión:
V=Cc/Pp
(3.15)
Donde:
V: Volumen de aire atrapado (L/m3)
Cc: Dosis de cemento corregida por tipo de agregado (Kg/m^3)
Pp: Tamaño máximo del agregado (mm)
El volumen absoluto del cemento en la mezcla dependerá de la densidad del cemento que
para efectos prácticos se considera igual a 3,33g/cc. Este fue el valor utilizado en los diseños
de mezclas realizados.
La cantidad de agua de amasado, se calculó partiendo de la relación agua/cemento y de la
dosis de cemento requerida en la mezcla.
a=Cc*αm
Donde:
a: Agua de amasado (L/m3)
Cc: Dosis de cemento corregida por tipo de agregado (Kg/m3)
(3.16)
35
αm: Relación agua/cemento modificada (adim).
La cantidad de agua de amasado debe ser corregida por la humedad de los agregados finos
usados (arena, arrocillo y PAG) para evitar pérdidas de resistencia al incluir más agua de la
necesaria ya que de esta forma la relación agua/cemento aumentará y por consiguiente la
resistencia mecánica esperada disminuirá.
La cantidad de agua que se introduce en la mezcla por efectos de la humedad de los
agregados se cuantificó de la siguiente forma:
Maaf=0,01*Mfs*H
(3.17)
Donde:
Maaf: Masa de agua en el agregado fino (Kg/m3)
Mfs: Masa del agregado fino en condición de saturado con superficie seca (Kg/m3)
H: Porcentaje de humedad (%)
Luego como el agregado fino fue dosificado en peso tiene una cierta cantidad de agua que
contribuye con su peso, realmente se está dosificando menos agregado fino del calculado, por
esta razón se debe corregir la cantidad de agregado fino como sigue:
Mafc=0,01*Mfs*(100+H)
Donde:
Mafc: Masa de agregado fino corregida por humedad (Kg/m3)
Mfs: Masa del agregado fino en condición de saturado con superficie seca (Kg/m3)
H: Porcentaje de humedad (%)
(3.18)
36
Después de la corrección por humedad la cantidad total de agua de amasado en la mezcla de
concreto fue:
af = am – Maaf
(3.19)
Donde:
af: Cantidad de agua de amasado final (L/m3)
La cantidad de agregados necesarios en la mezcla se determinó mediante el método de los
volúmenes absolutos descrito en el manual del concreto estructural. Para ello es necesario
conocer el peso específico de los agregados combinados. Este se calculó mediante una ley de
mezclas que se describe a continuación:
ρMT= β* λ *ρAr+ β*(1- λ)*γ*ρPAG+ β*(1- λ)* (1-γ)*ρA+(1-β)*ρP
(3.20)
Donde:
ρMT: Densidad del agregado combinado (Kg/m3).
ρAr: Densidad del Arrocillo (Kg/m3).
ρA: Densidad de la Arena (Kg/m3).
ρPAG: Densidad del polvillo arenoso grueso(Kg/m3).
ρP: Densidad de la Piedra de Pertigalete (Kg/m3).
En la mezcla de concreto se utilizaron dos aditivos, uno reductor de agua y otro retardante
de fraguado, que fueron dosificados en base a la dosis de cemento. Debido a este hecho la
cantidad de agregados necesarios para elaborar un metro cúbico de concreto fue la siguiente:
MT= ρMT*(1000-0,3*Cc-a-V-0,01*Cc*(δ/ρad1+ε/ρad2)
(3.21)
37
Donde:
MT: Cantidad de agregado combinado (Kg/m3).
ρMT: Densidad del agregado combinado (Kg/m3).
Cc: Dosis de cemento corregida por tipo de agregado (Kg/m3).
a: Cantidad de agua de amasado (L/m3).
V: Volumen de aire atrapado (L/m3).
ρad1: Densidad del aditivo plastificante (Kg/m3).
ρad2: Densidad del aditivo retardante (Kg/m3).
δ: Porcentaje de aditivo plastificante (%).
ε: Porcentaje de aditivo retardante (%).
Ya conocida la cantidad de agregado total requerida en la mezcla de concreto se calculó la
cantidad de cada uno de los agregados iniciales.
Ar= λ * β*MT
(3.22)
PAG= (1- λ)*γ* β*MT
(3.23)
A= (1- λ)* (1-γ)* β*MT
(3.24)
P= (1-β)*MT
(3.25)
Realizado el diseño de mezclas se procedió a fabricar 50 litros de concreto por mezcla
diseñada. Se utilizó esta cantidad debido a que se realizaron ensayos de compresión a dos (2)
edades distintas usando dos cilindros por ensayos.
38
A cada mezcla se le midió en asentamiento en cono de Abrams, el cual fue ajustado según el
caso añadiendo más pasta a la mezcla, esto para ajustar la mezcla y estudiar el efecto del PAG
en el consumo de agua de amasado.
3.3.2 Método del comité ACI 211
Siguiendo el método del comité ACI 211 la proporción de los componentes de la mezcla se
determinaron de la siguiente manera:
De manera opuesta al método del manual del concreto estructural, en el método ACI 211 se
fija primeramente la dosis de agua de amasado necesaria para alcanzar un asentamiento
deseado y ésta depende del tamaño máximo del agregado y de la cantidad de aire incorporado
en el concreto. En la tabla 3.9 se presenta la cantidad de agua de mezclado recomendada
según el comité 211 del ACI.
Tabla 3.9: Dosis de agua aproximada para la elaboración de concretos convencionales.
Dosis de agua (L/m3)
Asentamiento (cm)
Tamaño máximo del agregado grueso
P=20 mm
P=25 mm
P=50 mm
3a5
185
180
160
8 a 10
200
195
175
15 a 18
210
205
180
% aprox. Aire
2
1,5
1
atrapado
Concreto sin aire incorporado
Tomado de la tabla 5.3.3 de “métodos para el diseño de mezclas de concreto” de la asociación
venezolana de productores de cementos, año 1975.
Seguidamente se determinó la relación agua/cemento necesaria para alcanzar la resistencia
mecánica fijada según criterio de la norma COVENIN 1753 sección 5.4.2.1. En la tabla 3.10
se muestran la relación agua/cemento recomendada para alcanzar una resistencia dada.
39
Tabla 3.10: Relación agua/cemento requerida para alcanzar la resistencia mecánica estimada a los 28
días.
Resistencia a la compresión a los 28
Relación agua/cemento
días (KgF/cm2)
Sin aire incorporado
350
0,48
300
0,55
250
0,62
Tomado de la tabla 5.3.4 (a) de “métodos para el diseño de mezclas de concreto” de la asociación
venezolana de productores de cementos, año 1975.
La dosis de cemento requerida se determinó como el cociente entre la dosis de agua (tabla
3.9) dividida por la relación agua/cemento (tabla 3.10).
El contenido de agregados grueso depende única y exclusivamente del peso unitario
compacto de la piedra y del módulo de finura del agregado fino. El módulo de finura del
agregado fino depende del porcentaje de sustitución de arena por PAG y se determinó
mediante una ley de mezclas para cada porcentaje de sustitución de arena.
MF-AF= λ*MF-Ar + γ*MF-PAG +(1- λ)(1- γ)*MF-A
(3.26)
Donde:
MF-AF: Módulo de finura del agregado fino (adim)
MF-Ar: Módulo de finura del polvillo piedra (adim)
MF-PAG: Módulo de finura del polvillo arenoso grueso (adim)
MF-A: Módulo de finura de la arena los Olivos 3 (adim)
La tabla 3.11, tomada de la tabla 5.3.6 de “Métodos para el diseño de mezclas de concreto”
de la asociación venezolana de productores de cemento publicada en 1975. En ella se tabula la
proporción de agregado grueso recomendado según el método ACI 211 y éste depende del
40
módulo de finura del agregado fino (calculado según la ecuación 3.26) y del peso unitario
compacto del agregado grueso.
Tabla 3.11: Volumen de agregado grueso por metro cúbico de concreto.
Tamaño
máximo del
Módulo de finura
agregados
grueso (mm)
25
2,80
2,9
3,00
3,1
0,67
0,66
0,65
0,64
La cantidad de agregado fino se determina por diferencia entre el rendimiento del concreto
(Tabla 3.11) y los demás componentes ya calculados, como se indica en la ecuación 3.27.
F = Rend – a – C – P
(3.27)
Donde:
Rend: Rendimiento del concreto (Kg/m3)
El rendimiento del concreto depende del tamaño máximo del agregado grueso y para realizar
un primer cálculo se considera que éste no varía significativamente con el tipo de agregado.
El comité 211 del ACI recomienda usar para un primer cálculo los rendimientos tabulados en
la tabla 3.12.
Tabla 3.12 Rendimiento del concreto fresco.
Tamaño máximo del agregado grueso
Rendimiento del concreto (Kg/m3)
(mm)
20
2355
25
2375
40
2420
41
3.3.3 Método mixto entre el método del manual del concreto estructural y el método ACI
211
El tercer método de diseño de mezclas surgió de la necesidad de lograr una mezcla con la
fluidez requerida usando la mayor proporción posible de PAG. De los resultados obtenidos
con los métodos anteriores se plantearon los siguientes cambios:
1. Dosificar los agregados siguiendo la fórmula de cálculo propuesta por el método del
manual de concreto estructural (ecuación 3.21).
2. Los agregados se mezclan siguiendo el criterio del manual del concreto estructural en
base al cálculo del factor beta (β).
3. El contenido de aire atrapado se establece como lo recomienda el método ACI 211
(tabla 3.9).
4. La dosis de agua y la relación agua/cementos se toman del método ACI 211.
El método de diseño de mezclas aquí propuesto se basa en la necesidad de optimizar la dosis
de cemento en el concreto, ya que éste es el componente de mayor costo unitario en la mezcla,
además los aditivos se dosifican en base al cemento y son éstos en algunos casos tan costosos
como el mismo cemento. Por esta razón fue importante optimizar la dosis de cementos ya que
el MMCE sugiere altas dosis de hacen que la mezcla se torne pastosa, con poca fluidez y con
alto costo de producción. En tanto el método ACI 211 sugiere, indirectamente, dosis más
bajas de cemento lo que influye en la economía del concreto, pero su gran debilidad está en la
dosificación de los agregados, pues esta no toma en cuenta la granulometría precisa de los
mismos y por ende genera concretos pedregosos y poco trabajables. El método mixto propone
tomar las bondades de cada uno de los métodos anteriores con la finalidad de mejorar las
relaciones costo-beneficio.
42
3.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En el presente apartado se describen los métodos y procedimientos realizados para
caracterizar los agregados y para elaborar las mezclas de concreto. Todos estos
procedimientos están avalados por las normas venezolanas COVENIN.
3.4.1 Procedimiento para realizar el muestreo de agregados
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 277:2000
“Concreto. Agregados. Requisitos”.
Procedimiento:
En pilas:
1. Se introdujo una lamina de acero hasta una profundidad de 30 centímetros en
dirección paralela a la base y a una altura de un (1) metro medido desde la base de la
pila.
2. Se eliminó la capa superficial de agregado (con un espesor aproximado de 5
centímetros) que se encuentra debajo de la tabla o lamina de acero mediante el uso de
la pala.
3. Se tomó la muestra con la ayuda de la pala y se depositó en las bolsas de muestreo. La
muestra fue tomada del material “desnudo” que se encontraba por debajo de la tabla
4. El procedimiento descrito se repitió cerca de la mitad de la altura de la pila y cerca de
la parte superior. Siempre empezando por la parte inferior de la pila para evitar tomar
el agregado superficial que se quitó para desnudar el agregado.
5. Las tres muestras tomadas a las distintas alturas de la pila se mezclaron y
homogeneizaron para componer una muestra representativa del lote de material.
43
3.4.2 Procedimiento para realizar el cuarteo de muestras de agregados
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 270:1998
“Agregados. Extracción de muestras para morteros y concretos”
Procedimiento:
1. Se limpió el área de trabajo mediante el uso de una escoba. Este paso se realizó para
evitar la contaminación del agregado con partículas extrañas.
2. Se vertió el contenido de las bolsas de muestreo para formar un montón el cual fue
mezclado y homogeneizado mediante el uso de la pala. En el caso de agregados secos,
éstos fueron humedecidos para evitar la segregación y pérdida de ultrafinos.
3. Una vez obtenida una muestra homogénea se formó un montón y mediante el uso de la
pala se extendió en forma radial hasta obtener una “torta” circular de espesor
uniforme.
4. Con la regla metálica se dividió el material de forma diametral en 4 partes de tamaños
aproximadamente iguales. Se hizo una separación de al menos diez (10) centímetros
entre cada una de las partes en la que fue dividido el montón para facilitar el retiro de
material.
5. Se eliminaron dos (2) partes opuestas del montón mediante el uso de una pala teniendo
cuidado de retirar las partículas finas que quedan en las zonas donde estaba el material
retirado. Estas partículas finas se retiraron usando la brocha para barrer y recoger los
ultrafinos y de esta forma evitar la concentración de finos en la muestra cuarteada.
6. Los dos (2) cuadrante restantes se mezclaron y homogeneizaron para repetir
nuevamente el procedimiento ya descrito hasta que se obtuvo de forma aproximada la
cantidad de material necesario.
44
3.4.3 Procedimiento para determinar por lavado el contenido de partículas menores a 74
micrones (% pasante 200).
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 258:1977
“Método de ensayo para la determinación por lavado del contenido de materiales más finos
que el cedazo COVENIN 74 micras en agregados minerales”
Procedimiento:
Agregado fino:
1. Se colocó el cedazo #16 sobre el cedazo #200 para iniciar el lavado.
2. El lavado del material se hizo por partes, vertiendo pequeñas porciones (150 g
aproximadamente) sobre el cedazo # 16 y lavándolo hasta observar que el agua salía
limpia. Una vez lavada esa porción, el material se depositaba sobre la bandeja de
secado y se repetía el procedimiento hasta lavar la totalidad de la muestra.
3. Se decantó la mayor cantidad de agua posible de la bandeja de secado y se inició el
secado removiendo constantemente el material con la ayuda de una espátula.
4. Se dejó enfriar el material hasta que pudiese ser manipulado fácilmente con la mano y
se pesó para determinar la masa seca.
Agregado grueso:
1. Se colocó el cedazo #16 sobre el cedazo #200 para iniciar el lavado.
2. La muestra de agregado grueso se vertió en un recipiente grande que fue llenado con
agua hasta un poco más de la mitad, luego se procedió a agitar vigorosamente teniendo
cuidado de no perder material durante el proceso de agitado. Inmediatamente después
de la agitación se decantó el agua sobre el tamiz # 16 evitando la caída de los
agregados gruesos sobre el tamiz. Se repitió este proceso hasta que el agua de lavado
salió limpia.
3. Se secó el material en la estufa, se dejó enfriar para luego pesarlo.
45
3.4.4 Procedimiento para determinar la composición granulométrica de agregados para
concreto
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 255:2003
“Agregados. Determinación de la composición granulométrica”.
Procedimiento:
Agregado Fino:
1. La muestra de agregado se secó hasta peso constante.
2. Se ensamblaron los cedazos en el orden que se indica a continuación:
Fondo, #200, #100, #50, #30, #16, #8, #4, 3/8”
3. Se vertió la muestra sobre el cedazo COVENIN 3/8” distribuyéndola sobre toda la
superficie del mismo, luego se tapó el cedazo y el conjunto completo fue llevado a la
maquina tamizadora.
4. Se encendió la tamizadora y se dejó funcionar por un periodo de 5 minutos continuos.
Una vez transcurrido el tiempo de tamizado se desmontó el conjunto de cedazos.
5. En una bandeja portamuestras previamente tarada en la báscula se vertió el material
contenido en cada cedazo y se pesó.
Agregado Grueso:
1. El agregado grueso fue secado al sol hasta que no se observó humedad superficial
2. Se ensambló el conjunto de cedazos en el orden que se describe a continuación:
Fondo, 3/8”, 1/2”, 3/4", 1”, 1 ½”
3. Se vertió el material de ensayo sobre el cedazo de 1 ½” distribuyéndolo
uniformemente sobre toda la superficie del cedazo.
4. Se encendió la maquina cernidora y se dejó funcionando por un periodo continuo de 5
minutos. Una vez transcurrido este periodo de tiempo se detuvo la maquina y se
extrajeron los cedazos (uno a la vez) para retirar el material retenido en ellos.
46
5. En una bandeja portamuestras se depositó el material retenido en cada cedazo y se
determinó su masa.
6. El material que se encontraba en el fondo se ensayó según el procedimiento descrito
para agregados fino.
3.4.5 Procedimiento para determinar el contenido de terrones de arcilla y partículas
desmenuzable.
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 257:1978
“Método de ensayo para la determinación por lavado del contenido de terrones de arcilla y de
partículas desmenuzables en agregados”
Procedimiento:
1. Se extendió el agregado en una capa delgada en el fondo de la bandeja portamuestras y
se cubrió con agua hasta que el agregado quedó totalmente sumergido. Se dejó en
reposo por un periodo de 24 horas.
2. Al cabo de las 24 horas se examinó el material en búsqueda de partículas
desmenuzables, las cuales fueron desarmadas con los dedos sin hacer presión con las
uñas o con el fondo del recipiente.
3. Se realizó un tamizado húmedo del agregado para eliminar las partículas
desmenuzadas.
4. Para los agregados gruesos se recomienda separar las muestras en porciones de
máximo 600g para tamizarlas usando los cedazos normalizados para agregado fino.
5. Después del tamizado húmedo se secaron las muestras y se dejaron enfriar para
pesarlas.
47
3.4.6 Procedimiento para la determinación cuantitativa de impurezas orgánicas en
agregados finos para concreto (colorimetría)
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 256:1977
“Método de ensayo para la determinación cualitativa de impurezas orgánicas en arenas para
concreto (ensayo colorimétrico)”
Reactivos:
1. Hidróxido de Sodio (NaOH) químicamente puro.
2. Agua destilada
Preparación de la solución:
Por cada 100mL de agua destilada pesaron 3gr de hidróxido de sodio
En un recipiente de vidrio grande de boca ancha se vertió el agua destilada, y seguidamente se
añadió poco a poco el hidróxido de sodio mientras se agitaba el agua para favorecer la
disolución del reactivo y la disipación de calor producto de la disolución.
Procedimiento:
1. Con la ayuda del embudo se introdujo la muestra de ensayo en el frasco de vidrio.
2. Del mismo modo se vertió la solución de hidróxido de sodio al 3% en el frasco hasta
que alcanzó 3/4 de la altura del frasco.
3. Se tapó el frasco con el tapón de goma y se agitó vigorosamente e
ininterrumpidamente el conjunto por un periodo de tiempo de un (1) minuto.
4. Se ubicó el frasco en un lugar plano y nivelado y se dejó reposar por 24 horas. Luego
se comparó el color de la solución sobrenadante con la escala de colores del patrón
Gadner.
48
3.4.7 Procedimiento para la determinación el cociente entre la dimensión máxima y la
dimensión mínima en agregados gruesos para concreto (partículas planas y alargadas)
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 264:1977
“Método de ensayo para la determinación el cociente entre la dimensión máxima y la
dimensión mínima en agregados gruesos para concreto”
Procedimiento:
1. Se determinó el peso de la muestra
2. Mediante el uso del vernier se determinó la máxima y la mínima dimensión del
agregado
3. Se determinó el cociente entre la máxima dimensión dividida por la minima dimensión
y se separaron las partículas cuyo cociente era mayor a tres (3).
4. Se determinó el peso de las partículas separadas
3.4.8 Método de ensayo para la determinación el peso unitario del agregado
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 263:1978
“Método de ensayo para la determinación del peso unitario del agregado”
Procedimiento:
Peso Unitario Compacto:
1. Se mezcló y homogeneizó la muestra de agregado.
2. Se llenó el recipiente normalizado hasta un tercio de su altura. Se niveló la superficie
con la mano y con la barra se compactó el agregado con 25 golpes uniformemente
distribuidos en toda la superficie.
49
3. Seguidamente se vertió la segunda capa de agregado hasta alcanzar una altura de 2/3
del recipiente y se compactó con 25 golpes. Al colocar la capa final de agregado y
después de compactarla con 25 golpes, se niveló la superficie procurando que las
partículas pequeñas llenaran los vacíos dejados entre las partículas grandes. En el
caso de los agregados finos la superficie fue enrazada con una regla metálica hasta
lograr una superficie totalmente plana.
4. Se determinó la masa del conjunto.
El procedimiento anteriormente descrito fue realizado por triplicado.
Peso Unitario Suelto:
1. Una vez mezclado y homogeneizado el material se vertió en el recipiente normalizado
con la ayuda de una pala dejando caer el agregado desde una altura no mayor a 5
centímetros medidos desde el borde superior del recipiente.
2. Se enrasó la superficie del agregado con la regla metálica hasta obtener una superficie
plana en el caso de agregados finos. Para los agregados gruesos se trató de compensar
los desniveles generados por las partículas grandes colocando partículas pequeñas en
los vacíos.
3. Se determinó la masa del conjunto.
Este procedimiento se realizó por triplicado.
Calibración del recipiente normalizado:
1. Se pesó el recipiente vacío y seguidamente se llenó con agua y se determinó el peso
del conjunto. Para garantizar que el recipiente fue llenado en su totalidad se colocó un
vidrio plano sobre el recipiente y se verificó que no existiera aire entre el vidrio y la
superficie del agua.
50
2. Se midió la temperatura del agua con un termómetro para corregir el volumen del agua
contenida en el recipiente.
3.4.9 Procedimiento para la determinación de la densidad y la absorción del agregado
fino
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 268:1998
“Agregado fino. Determinación de la densidad y la absorción”
Procedimiento:
1. La muestra de agregado se vertió en una bandeja portamuestras, se cubrió con agua y
se dejó en reposo por 24 horas.
2. Transcurrido el tiempo de saturación se escurrió el agua teniendo cuidado de no perder
los finos del agregado para no alterar los resultados del ensayo.
3. Se dejó secar libremente el material removiéndolo constantemente para lograr un
secado uniforme y homogéneo.
4. Se tomaron dos bandejas porta muestras, se taró cada una por separado sobre una
báscula, en ellas se pasaron exactamente 500 gramos de agregado en condición de
saturado con superficie seca.
5. Una de las muestras pesadas se llevó a la estufa y se dejó secando.
6. Se tomó el picnómetro y se llenó con 200cc de agua y con la ayuda del embudo se
vertió rápidamente la otra muestra de agregado pesada.
7. Se vertió una cantidad adicional de agua hasta llenar 3/4 de la barriga del picnómetro y
se procedió a eliminar el aire atrapado entre las partículas del agregado agitando
enérgicamente el agregado y rotando el picnómetro. Una vez eliminado el aire del
agregado se llenó el picnómetro con agua hasta la marca de calibración.
8. Se pesó el picnómetro con el agregado y agua hasta la marca de calibración.
9. Una vez pesado el conjunto picnómetro-agregado se introdujo en él un termómetro y
se dejó por un periodo de 2 minutos para determinar la temperatura del agua.
10. La muestra de agregado que fue secada se dejó enfriar y se pesó.
51
11. Con la temperatura del agua se determinó la densidad del agua para corregir el valor
de densidad del agregado.
Determinación de la condición de saturado con superficie seca:
1. Sobre una superficie plana no absorbente, se colocó el molde con forma de cono
truncado, se sostuvo firmemente con la mano y se llenó con el agregado hasta que
rebosó del borde superior.
2. Con el compactador se enrazó la superficie y se compactó el material dejando caer el
compactador desde una altura no mayor a 5mm medida desde la superficie del
agregado. La compactación se hizo con 25 golpes uniformemente distribuidos sobre la
superficie dejando y caer libremente al compactador.
3. Se alisó la superficie de la muestra removiendo el agregado suelto y se levantó el
cono verticalmente hacia arriba sin girarlo. Este procedimiento se repitió hasta que el
material alcanzó la condición de flujo libre.
3.4.10 Procedimiento para la determinación de la densidad y la absorción del agregado
grueso
Este procedimiento experimental está basado en la norma venezolana COVENIN 269:1998
“Agregado grueso. Determinación de la densidad y la absorción”
Procedimiento:
1. Se lavó la muestra para eliminar los ultrafinos.
2. La muestra de agregado se vertió en una bandeja porta muestras, se cubrió con agua y
se dejó reposando por periodo de 24 horas.
3. Se acopló la cesta metálica a la balanza y se sumergió en el tanque.
4. Se esperó hasta que el tanque drenó el exceso de agua y se taró la balanza.
52
5. Se depositó el agregado, partícula por partícula, en la cesta hasta alcanzar 4/5 de la
altura de la cesta. Se realizó de esta forma para evitar que quedara aire atrapado entre
las partículas del agregado.
6. Al igual que en el momento en el que se introdujo la cesta se debió esperar hasta que
el tanque drenó le exceso de agua y se estabilizara el nivel del agua.
7. Se determinó el peso de la muestra sumergida.
8. Se extrajo la cesta con el agregado y éste se depositó sobre una bandeja porta muestras
donde se secaron las partículas del agregado con la ayuda de un paño húmedo hasta
alcanzar la condición de saturado con superficie seca.
9. Se pesó el agregado en condición de saturado con superficie seca y posteriormente se
puso a secar.
10. Se introdujo un termómetro en el tanque para determinar la temperatura del agua.
11. Con la temperatura del agua se determinó la densidad del agua para corregir la
densidad del agregado.
3.4.11 Procedimiento para el mezclado de concreto.
Este procedimiento está basado en la norma venezolana COVENIN 354:2001 “Concreto.
Método para mezclado en laboratorio”
Procedimiento:
1. Se determinó el contenido de humedad de cada uno de los agregados para realizar la
corrección del agua de mezclado debido al contenido de agua libre en los agregados.
2. En bolsas para recolectar muestras se pesó individualmente cada agregado según la
cantidad determinada en el diseño de mezclas. Estas bolsas fueron cerradas para evitar
la pérdida de humedad que pudiese afectar los cálculos del agua de mezclado. De igual
manera se midieron los aditivos y el agua de mezclado, los cuales fueron tapados con
paños húmedos para evitar la pérdida de agua por la acción del ambiente seco.
3. Se humedeció el interior del trompo de mezclado y se añadió la mitad del agregado
grueso junto con un tercio del agua de mezclado y se dejó mezclar por un periodo de
53
un (1) minuto. Seguidamente se añadieron los agregados finos, uno a la vez, si se
continúo con el mezclado por dos (2) minutos adicionales. Siempre verificando el
correcto mezclado de los agregados.
4. Luego se adicionó el cemento y rápidamente se tapó la boca del trompo para evitar la
pérdida de cemento, el mezclado continuo por dos (2) minutos para garantizar la
homogeneidad de la mezcla. Luego se añadió el aditivo retardador de fraguado junto
con un tercio del agua de mezclado y se prosiguió con el mezclado por dos (2)
minutos. Después se añadió el aditivo reductor de agua junto con la cantidad restante
de agua y dejó mezclar por dos (2) minutos más antes de realizar el vaciado del
concreto sobre una carretilla previamente humedecida.
3.4.12 Procedimiento para determinar el contenido de humedad de los agregados.
1. Se tomó una muestra representativa de los agregados, los cuales fueron pesados para
determinar la masa de la muestra.
2. En una estufa se realizó el secado de los agregados removiendo constantemente para
garantizar un secado homogéneo y para favorecer la extracción del agua se añadió 2cc
de alcohol isopropílico por cada 100 gramos de agregado, se mezcló éste con el
agregado y se prendió fuego. Para establecer el final del secado se utilizó un vidrio y
al colocarlo sobre la muestra y no presentar agua condensada sobre éste se consideró
que el secado había culminado. Por último se dejó enfriar.
3. La diferencia entre la masa inicial y la masa seca dividida por la masa seca da el
porcentaje total de humedad del agregado, a ésta se le debe restar la absorción para
determinar el contenido de humedad libre del agregado que es parámetro que se utilizó
para realizar la corrección del agua de amasado.
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Al cumplir con el diseño experimental propuesto en el capítulo anterior se obtuvieron una
serie de resultados que se expondrán a continuación donde serán interpretados, justificados y
comparados entre sí.
4.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA
Para estudiar los efectos de sustitución de un nuevo material por arena se requirió conocer
de antemano la composición química de éste material para predecir sus efectos sobre las
reacciones de hidratación del cemento durante el fraguado y desarrollo de la resistencia del
concreto. Por esta razón, se realizó un análisis químico mediante fluorescencia de rayos X
(FRX) para determinar la composición mineralógica porcentual de polvillo arenoso grueso.
En la figura 4.1 se puede apreciar que el PAG está compuesto principalmente por carbonato
de calcio debido a que este material se obtiene de la formación el Cantil, en Guanta Estado
Anzoátegui que se caracteriza por ser una formación intercalada de calizas calcáreas y calizas
dolomíticas (Plan de explotación minera CEMEX). Debido a que el material del que se extrae
el PAG es una caliza se explica el por qué los análisis de FRX muestran un gran valor de
perdidas al fuego (LOI) pues ésta proviene de la descomposición de los carbonatos de calcio y
magnesio del material durante la calcinación de la muestra. Del análisis estequiométrico de la
descomposición de los carbonatos se obtuvo que el dióxido de carbono liberado durante esta
reacción corresponde al 37% en peso del carbonato mixto de calcio y magnesio.
55
Figura 4.1: Composicion química del polvillo arenoso grueso de PTG.
Es importante notar que el contenido de álcalis de este material es muy bajo y sólo
representa el 0,379% escrito como porcentaje de sodio equivalente (%sodio equivalente es
igual al % óxido de sodio más 0,658 veces el % de óxido de potasio), por esta razón se
descarta un posible ataque álcali-sílice (ASR), pues el contenido máximo de álcalis permitido
es de 0,6%.
Al comparar el contenido de sílice del PAG con el contenido de sílice de la arena de los
Olivos 3 (ver figura 4.2) usada para preparar el concreto en estudio, se puede apreciar
claramente la gran diferencia que existente en este óxido, es decir, el PAG sólo contiene el
12% de óxido de silicio que contiene la arena. Esto permite predecir que muy probablemente
habrá una pérdida de resistencia mecánica en el concreto al sustituir arena por PAG debido a
que los subproductos de hidratación del cemento (portlandita) no podrán reaccionar en la
misma proporción con la sílice de los agregados y por ende no aportará en el desarrollo de
resistencia del concreto por la formación de C-S-H secundaria. (Neville, 1986).
56
Figura 4.2: Composición química de la arena Los Olivos 3.
Además de la composición mineralógica del PAG fue importante determinar el contenido de
materia orgánica presente en este material, para ello se procedió a determinar de forma
indirecta la presencia de orgánicos mediante el ensayo normalizado en la norma COVENIN
256 “Método de ensayo para la determinación cualitativa de impurezas orgánicas en arenas
para concreto (ensayo colorimétrico)”. De este ensayo se observó que la solución
sobrenadante no sufrió cambio alguno de coloración lo que indica la ausencia de materia
orgánica en el agregado. Este hecho se puede apreciar en la figura 4.3 mostrada a seguir.
Figura 4.3: Coloración de la solución sobrenadante en el ensayo colorimétrico
para la determinación cualitativa de materia orgánica en el PAG.
57
4.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICA
La caracterización física de cada uno de los agregados usados en concreto se realizó para
saber si los mismos cumplían con los requisitos establecidos en la norma COVENIN 277
“Concreto. Agregados. Requisitos” además son las variables independientes de los diversos
diseños de mezclas utilizados.
4.2.1 COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS AGREGADOS
La composición granulométrica de cada uno de los agregados fue necesaria para determinar
la cantidad máxima en la que se podía sustituir la arena por PAG y para determinar el factor
óptimo de mezclado entre los agregados finos y gruesos (factor beta).
4.2.1.1 Polvillo Arenoso Grueso (PAG)
En la figura 4.4 se presenta la distribución granulométrica del PAG descrita como el
porcentaje pasante en cada cedazo de la serie normalizada COVENIN, en ella se observa que
este material es muy fino a partir del cedazo # 8, pues la curva se desplaza hacia la parte
superior del grafico (por encima del límite máximo permitido según especificaciones
COVENIN 277). También se puede apreciar que el material tiene una fracción importante de
material pasante 200 de lo que se puede inferir que los diseños de mezclas elaborados
requerirían de una mayor dosis de agua para lograr un mismo asentamiento comparado con
agregados que poseen bajos porcentajes de material pasante malla # 200 (Porrero et al, 1979).
Según norma COVENIN 255 el máximo permisible de material pasante 200 para agregados
obtenidos por trituración de rocas es 15%, aun así el PAG supera ese límite ya que tiene un
porcentaje de material pasante 200 del 22,36%. El porcentaje de material más fino que el
cedazo 200 se determinó siguiendo el procedimiento descrito en la norma COVENIN 258
“Método de Ensayo para Determinar por Lavado el Contenido de Materiales más Finos que el
Cedazo COVENIN 74 micras en Agregados Minerales”.
58
Máximo
100
Mínimo
PAG
90
80
70
% Pasante
60
50
40
30
20
10
0
3/8"
#4
#8
#16
#30
Cedazo
#50
#100
#200
Figura 4.4: Curva cumulativa del PAG. Los límites normativos corresponden a la norma COVENIN
255.
4.2.1.2 Polvillo Piedra (Arrocillo)
El polvillo piedra de Pertigalete (PTG) es un agregado fino con módulo de finura igual a
4,70 lo que indica que se trata de un agregado relativamente grueso como se observa en la
figura 4.5, pues la curva de distribución granulométrica del mismo se encuentra por debajo
del límite mínimo según especificaciones COVENIN 255. En cuanto al porcentaje de material
pasante 200 está dentro del rango ya que esta agregado tiene solamente 7,39% de material
más fino que el cedazo # 200.
59
Máximo
Mínimo
Polvillo Piedra PTG
100
90
80
70
% Pasante
60
50
40
30
20
10
0
3/8"
#4
#8
#16
#30
#50
#100
#200
Cedazo
Figura 4.5: Curva cumulativa del Polvillo Piedra de PTG. Los límites normativos corresponden a la
norma COVENIN 255.
4.2.1.3 Arena los Olivos 3
La distribución granulométrica de la arena los Olivos 3 se muestra en la figura 4.6 y se
puede apreciar que se trata de un agregado muy fino debido a que su curva granulométrica
está desplazada hacia la parte superior del grafico cumulativo mostrado, esto se confirma con
el modulo de finura que es de sólo 2,24. Según el manual de concreto estructural una arena
con módulo de finura entre 2.0 y 2.5 es una arena fina. Por ser la arena los Olivos 3 un
material rico en sílice (figura 4.2) y fino es posible prever que al sustituir este agregado por
PAG, el concreto puede sufrir una pérdida importante de resistencia mecánica, no sólo por la
pérdida de sílice sino también por la pérdida de superficie específica.
60
Máximo
Mínimo
Arena
100
90
80
70
% Pasante
60
50
40
30
20
10
0
3/8"
#4
#8
#16
#30
Cedazo
#50
#100
# 200
Figura 4.6: Curva cumulativa de la Arena los Olivos 3. Los límites normativos corresponden a la
norma COVENIN 255.
4.2.1.4 Piedra Picada 1” PTG
La piedra 1” de PTG cumple con la granulometría exigida por norma COVENIN 255 para
el agregado grueso con tamaño máximo de una pulgada, aunque su distribución tiende a ser
gruesa, pero está dentro del rango permisible como se puede apreciar en la figura 4.7. La
piedra 1” de PTG es proveniente de la trituración de caliza dolomítica al igual que el PAG por
lo que es normal del proceso de extracción que ésta contenga un porcentaje de material
pasante malla 200 relativamente alto respecto a agregados gruesos. De igual manera el
porcentaje de material perdido por desgaste “Los Ángeles” fue de 32,8% y éste se encuentra
dentro del rango permisible por norma COVENIN 277 y además corresponde al desgaste
esperado para un material calizo.
61
Maximo
Minimo
Piedra 1
100
90
80
70
% Pasante
60
50
40
30
20
10
0
1"
3/4"
1/2"
Cedazo
3/8"
#4
Figura 4.7: Curva cumulativa de la Piedra picada 1” de PTG. Los límites normativos corresponden a
la norma COVENIN 255.
Además de la distribución granulométrica de los agregados fue necesario conocer las
propiedades físicas de éstos para cumplir con los parámetros de entrada de los diferentes
diseños de mezclas. Por lo que en la tabla 4.1 se muestran los valores de densidad, absorción,
pesos unitarios, entre otros parámetros característicos de los materiales pétreos usados en esta
investigación.
Tabla 4.1: Propiedades físicas que caracterizan los agregados utilizados en concreto.
Propiedad
PAG
Arena
Polvillo
Piedra
Densidad (g/cc)
2,68
2,66
2,69
2,71
Absorción (%)
2,32
0,30
1,52
0,76
MF
3,12
2,24
4,70
-------------
%P200
22,32
2,00
7,39
0,38
1477
1609
1460
1400
1586
1761
1558
1540
No presenta
# 1 Patrón Gadner
No presenta
------------
Peso unitario
3
suelto (kg/m )
Peso unitario
compacto (kg/m3)
Colorimetría
Orgánicos
Orgánicos
% Partículas
Planas
No Aplica
No Aplica
No Aplica
9,6
No Aplica
No Aplica
No Aplica
32,8
Desgaste de “Los
Ángeles”
62
El porcentaje de material menor que el cedazo COVENIN # 200 se utilizó como factor
crítico de diseño, pues la norma COVENIN 255 restringe a 5% el contenido de ultrafinos en
agregados combinados. Partiendo de esta premisa se determinó cuál sería la mayor proporción
en la que se pudiese sustituir la arena por PAG.
4.3 DISEÑO DE MEZCLAS
El diseño de mezclas en un procedimiento metódico que permite determinar la cantidad de
cada uno de los componentes que formarán parte de la mezcla de concreto de manera tal que
éste posea las propiedades deseadas en estado fresco y endurecido (Porrero et al, 2003).
4.3.1 Determinación del Porcentaje Máximo de PAG Como Sustituyente de Arena.
Según norma COVENIN 255 el porcentaje de material más fino que el cedazo COVENIN
#200 está restringido al 5% como límite máximo, en base a esta premisa se determinó cuál
era la cantidad máxima de arena que se podía sustituir por PAG sin incumplir con los
requisitos granulométricos de la norma antes mencionada.
En la figura 4.8 mostrada a continuación se observa la curva granulométrica de los
agregados combinados (piedra, arena, polvillo piedra y PAG) donde el PAG sustituye a la
arena en un 45%. El porcentaje de material pasante 200 es del 4,96% lo que cumple con la
restricción de la norma COVENIN 277. Debido a que este porcentaje es elevado se decidió
realizar mezclas con sustitución del 15, 30 y 45% de arena por PAG y una mezcla sin PAG
como control. Para estudiar exclusivamente el efecto de la sustitución de arena por PAG se
utilizó el mismo factor beta (β) para todas las mezclas, que afortunadamente existió dentro del
rango permisible en cada mezcla y fue de 0,471. El polvillo piedra se utilizó al 30% del
agregado fino total en todas las mezclas elaboradas.
63
Figura 4.8: Curva cumulativa de la mezcla de agregados combinados con distintos porcentajes de
sustitución parcial de arena por PAG.
4.3.2 Diseño de Mezclas Según el Método del Manual del Concreto Estructural (MMCE)
El método del manual del concreto estructural dosifica los agregados en base al volumen
absoluto que éstos ocupan, por esta razón es necesario conocer la densidad de cada uno de los
agregados utilizados en la mezcla. Además la proporción en la que se mezclan los agregados
finos y gruesos dependen de su distribución granulométrica, pues se busca cumplir con los
requisitos de la norma COVENIN 277.
Siguiendo el método del manual del concreto estructural se realizaron los cuatro (4) diseños
propuestos y se muestran a continuación:
64
Tabla 4.2: Dosificación del diseño de mezclas según el Método del manual del concreto estructural.
Los agregados se consideran saturados con superficie seca.
Materiales
Patrón
15% sustitución
30% sustitución
45% sustitución
3
777,94
777,94
777,94
777,94
3
Arena (Kg/m )
413,92
351,94
289,93
227,87
Arrocillo (Kg/m3)
275,95
276,03
276,12
276,21
PAG (Kg/m3)
0
62,11
124,25
186,44
520,07
520,07
520,07
520,07
Agua (Kg/m )
274,09
274,09
274,09
274,09
Plastificante
1,560
1,560
1,560
1,560
Retardante (L/m3)
1,560
1,560
1,560
1,560
Factor Beta
0,471
0,471
0,471
0,471
Relación a/c
0,53
0,53
0,53
0,53
Costo (Bsf/m3)
233,59
230,64
227,68
224,73
Piedra (Kg/m )
3
Cemento (Kg/m )
3
3
(L/m )
En la tabla 4.2 se observa la dosificación de los diseños de mezclas realizados estrictamente
según el manual del concreto estructural. El diseño fue para un concreto convencional de
resistencia de diseño de 250Kgf/cm2 a los 28 días, por lo que la dosis de cemento y agua
propuestas por el diseño se ven muy elevadas para ser un concreto convencional, pues según
el mismo manual del concreto estructural los concretos de altas resistencias se caracterizan
por tener dosis de cementos superiores a los 500Kgf/m3, tomando esto en consideración se
observa que este método de diseño es muy conservador pues sobreestima la cantidad de
material cementante haciendo la mezcla muy pastosa y poco factible económicamente.
En base a la experiencia de la planta de concreto premezclado SIMPCA, Puerto Ordaz se
decidió eliminar del método de diseño los factores de corrección a la relación agua/cemento y
a la dosis de cemento con la finalidad de ajustar el cemento y el agua de la mezcla, ya que por
experiencia se ha determinado que con este tipo de concreto se logra la resistencia usando
dosis de cemento entorno a 330 Kg/m3. De esta forma se obtuvo un nuevo diseño de mezclas
que se muestra a continuación:
65
Tabla 4.3: Dosificación del diseño de mezclas según el Método del manual del concreto estructural
modificado. Los agregados se consideran saturados con superficie seca.
Materiales
Patrón
15% sustitución
30% sustitución
45% sustitución
3
910,73
910,73
910,73
910,73
3
Arena (Kg/m )
484,58
412,02
339,42
266,77
Arrocillo (Kg/m3)
323,05
323,15
323,25
323,36
PAG (Kg/m3)
0
72,71
145,46
218,26
419,19
419,19
419,19
419,19
Agua (Kg/m )
215,68
215,68
215,68
215,68
Plastificante
1,257
1,257
1,257
1,257
Retardante (L/m3)
1,257
1,257
1,257
1,257
Factor Beta
0,471
0,471
0,471
0,471
Relación a/c
0,51
0,51
0,51
0,51
Costo (Bsf/m3)
220,97
217,34
213,70
210,06
Piedra (Kg/m )
3
Cemento (Kg/m )
3
3
(L/m )
En este nuevo diseño basado en el método del manual del concreto estructural, pero sin
tomar en cuenta única y exclusivamente los factores de corrección para la relación
agua/cemento y para la dosis de cemento se logró bajar la cantidad de cemento en
aproximadamente 100Kg (19,4 %) y el costo en cerca de 14 BsF por metro cúbico.
4.3.3 Diseño de Mezclas Según el Método ACI 211
El método de diseño de mezclas del American Concrete Institute (ACI) dosifica los
agregados basado en el peso unitario compacto del agregado grueso y del módulo de finura
del agregado fino sin tomar en cuenta si ésta combinación cumple con los requisitos
granulométricos establecidos por la norma COVENIN 277. Debido a que los diseños
elaborados por el método del manual del concreto estructural no se ajustaron, en cuanto a
fluidez y resistencia, se decidió estudiar el efecto de la sustitución de arena por PAG
utilizando el método de diseño de mezclas ACI 211 para comparar los resultados con la
finalidad de agotar todos los recursos disponibles para lograr la implementación del PAG
como agregado para concreto.
66
La elaboración de las mezclas diseñadas según el método del manual del concreto
estructural permitieron perfeccionar el siguiente método de diseño basándose en la
experiencia ya obtenida al trabajar con PAG, por ser este material rico en ultrafinos que
modifican significativamente la reología del concreto fue necesario incrementar la dosis de
agua para alcanzar el asentamiento deseado, pues el contenido de ultrafinos incrementa los
requerimientos de agua de diseño (Nilforoushan, 2005). De esta forma fue necesaria una
cantidad mayor de agua que la recomendada por el método de diseño, más la acción de un
aditivo plastificante dosificado al 4% de la dosis de cemento y con una eficiencia del 10%.
De la experiencia práctica de la planta de concreto premezclado SIMPCA, Puerto Ordaz se
consideró que un concreto con resistencia de diseño de 250 Kgf/cm2 y asentamiento de cinco
(5) pulgadas se logra usando una relación agua/cemento de 0,55 junto con 330 Kg de cemento
por metro cúbico de concreto. Entonces al incrementar la dosis de agua fue necesario ajustar
la relación agua/cemento para evitar el incremento poco práctico de la dosis de cemento y de
los aditivos, pues son estos los componentes de mayor costo unitario en la mezcla. Todos
estos ajustes se realizaron con la finalidad de minimizar el costo del metro cúbico de concreto
y optimizar las ganancias de la empresa Cementos de Venezuela. Después de los ajustes ya
comentados se logró el diseño basado en el método ACI 211 y cuya dosificación se muestra
en la tabla 4.4.
67
Tabla 4.4: Dosificación del diseño de mezclas según el Método ACI 211. Los agregados se
consideran saturados con superficie seca.
Materiales
Patrón
15% sustitución
30% sustitución
45% sustitución
3
1072
1056
1040
1024
3
Arena (Kg/m )
441,98
383,84
322,82
258,93
Arrocillo (Kg/m3)
294,65
301,05
307,45
313,85
PAG (Kg/m3)
0
67,74
138,35
211,85
359,38
359,38
359,38
359,38
Agua (Kg/m )
207
207
207
207
Plastificante
1,617
1,617
1,617
1,617
Retardante (L/m3)
1,078
1,078
1,078
1,078
MF
2,8
2,9
3,0
3,1
Relación a/c
0,58
0,58
0,58
0,58
Factor β
0,41
0,42
0,425
0,43
215,23
211,47
207,56
203,51
Piedra (Kg/m )
3
Cemento (Kg/m )
3
3
(L/m )
comparativo
Costo (Bsf/m3)
En la tabla 4.4 se observa la dosificación de las mezclas diseñadas según el método ACI
211, es importante apreciar que las mezclas diseñadas según este método tienen alto
contenido de agregado grueso (más de 100Kg adicionales por metro cúbico de concreto
respecto a MMCE) por lo que es muy probable que las mezclas tiendan a ser pedregosas con
mejor fluidez y mayor tendencia a la segregación. Además la cantidad de agregados finos es
menor que el calculado por el método del manual del concreto estructural y se ve de forma
cuantitativa al observar el valor comparativo del factor beta que se utiliza en el método del
manual del concreto estructural, pero que aquí sólo permite predecir el comportamiento de las
mezclas en cuanto a estabilidad y tendencia a la segregación. La dosis de cemento y agua
recomendadas por el método ACI-211 es considerablemente más bajo (al igual que el costo)
pues porcentualmente el nuevo diseño utiliza solamente el 85,49% de cemento recomendado
por el diseño del manual del concreto estructural.
68
4.3.4 Comparación Granulométrica de los Diseños ACI 211 y MMCE
El método del manual del concreto estructural determina un factor de mezclado óptimo
(factor beta) entre agregados finos y gruesos para cumplir con los requisitos de la norma
COVENIN 277, mientras que el método ACI 211 dosifica los agregados en base al módulo de
finura del agregado grueso y del peso unitario compacto del agregado grueso sin tomar en
cuenta los pormenores de la distribución granulométrica del agregado, por esta razón se
realizó una comparación entre la granulometría del agregado combinado para ambos métodos
y para cada mezcla.
En la figura 4.9 se puede observar claramente que la curva granulométrica del agregado
combinado mediante el método del manual del concreto estructural (MMCE) cumple con la
granulometría exigida por norma COVENIN 277, aunque el material pasante entre el cedazo
1/2" y 3/8” esté muy cerca del límite mínimo. Este agregado combinado muestra una buena
gradación en tamaños de grano y por lo tanto la mezcla de concreto requerirá menor cantidad
de pasta para alcanzar una misma fluidez y por ser la pasta el componente con mayor precio
unitario, el concreto obtenido de esta forma será más económico (Porrero et al, 2003), además
es factible esperar que este tipo de mezcla presente una resistencia mecánica mayor, pues
existirá una menor cantidad de poros debido a que esta gradación permite una mejor
compacidad y por ende mayor resistencia mecánica. (Callister, 2006).
A continuación se muestra la distribución granulométrica del agregado combinado para la
mezcla patrón para ambos métodos de diseño.
69
Figura 4.9: Curva granulométrica del agregado combinado según el método ACI-211 y según el
método del manual del concreto estructural para la mezcla patrón.
La curva granulométrica para el agregado combinado según el método ACI 211 no cumple
con la granulometría exigida por la norma COVENIN 277, pues el agregado está por debajo
del límite mínimo de material pasante, es decir, el mezcla de agregados es muy gruesa y por
lo tanto es factible esperar que la mezcla de concreto sea pedregosa, con alta tendencia a la
segregación y que además presente problemas de colocación y compactación por tener un alto
contenido en agregados gruesos. (Ferreras, 1977).
El comportamiento de la curva granulométrica del agregado combinado para la sustitución
del 15, 30 y 45% es similar a la curva patrón, es decir, existe una diferencia de
aproximadamente 10% en el material pasante, desde los cedazos 3/4" y #16 de la serie
normalizada COVENIN, entre los agregados combinados del método Porrero y del método
ACI 211.
70
4.3.5 Diseño de Mezclas Según el Método Mixto ACI 211-MMCE
Debido a la deficiencia del método del manual del concreto estructural para establecer la
relación agua/cemento y la dosis de cemento requerida para una resistencia y fluidez dada, y
además en base a las ventajas de una mezcla de agregados combinados con buena gradación y
alta compacidad, se decidió enlazar las ventajas de cada uno de los métodos ya conocidos
para estudiar las posibles ventajas que pueda traer un método mixto que tome los beneficios
de cada uno de los métodos ya aplicados.
Como ya fue planteado el nuevo método mixto entre Porrero y ACI 211 toma la forma de
dosificar los agregados y componentes del método del manual del concreto estructural para de
esta forma cumplir con los requisitos granulométricos exigidos por norma COVENIN 255,
pero del método ACI 211 se toma la relación agua/cemento, la dosis de agua y la cantidad de
aire atrapado. De esta forma se busca conseguir un concreto que se ajuste mejor a los
requisitos de fluidez y resistencia deseados y adicionalmente se busca una disminución del
costo del concreto. Siguiendo esta premisa se realizaron los diseños de mezclas según este
nuevo método y se muestran en la tabla 4.5.
Tabla 4.5: Dosificación del diseño de mezclas según el Método Porrero-ACI 211. Los agregados se
consideran saturados con superficie seca.
Materiales
Patrón
15 % sustitución
30 % sustitución
45 % sustitución
Piedra (Kg/m3)
952,55
952,55
952,55
952,55
508,87
432,67
356,43
280,14
Arrocillo (Kg/m )
339,35
339,35
339,35
339,35
PAG (Kg/m3)
0
76,35
152,76
229,21
Cemento (Kg/m3)
359,58
359,58
359,58
359,58
Agua (Kg/m )
207
207
207
207
Plastificante
1,617
1,617
1,617
1,617
Retardante (L/m3)
1,078
1,078
1,078
1,078
Factor beta
0,471
0,471
0,471
0,471
Relación a/c
0,58
0,58
0,58
0,58
Costo (Bsf/m3)
211,10
207,55
203,99
200,43
3
Arena (Kg/m )
3
3
3
(L/m )
71
En la tabla 4.5 se puede observar que la dosis de cemento y agua son iguales a las
cantidades usadas en el método ACI 211 al igual que la relación agua/cemento. En cuanto a
los agregados se aprecia que se utiliza una cantidad mayor respecto al diseño realizado según
el manual del concreto estructural, pues al disminuir la cantidad de cemento existe un
volumen libre que debe ser llenado con agregados. Pero respecto al método ACI 211 la
cantidad de agregado grueso disminuye considerablemente (10%) lo que permite pensar que
las mezclas tendrán una menor tendencia a la segregación y mayor estabilidad aunque la
fluidez pueda verse reducida en cierta medida.
Al sustituir un agregado rico en sílice como lo es la arena por otro con bajo contenido de
sílice y con menor superficie específica (PAG) se espera una disminución de la resistencia al
aumentar el porcentaje de sustitución, pero según el método mixto Porrero-ACI 211 se espera
que esta disminución en la resistencia sea relativamente leve, pues la cantidad de
subproductos de hidratación que se generan, con una dosis de cemento 30,9 % menor respecto
a la dosis de cemento del método del manual del concreto estructural, será sustancialmente
menor y por ende la demanda de arena que requerirá el concreto para
formar C-S-H
secundaria será menor; en este sentido, la sustitución de arena no afectaría sustancialmente la
resistencia mecánica del concreto. (Nilforoushan, 2005).
En la figura 4.10 se compara de la dosis de cemento calculada según cada método de diseño
utilizado.
Figura 4.10: Dosis de cemento calculada siguiendo los métodos descritos
72
De la figura 4.10 cabe destacar que los concretos diseñados por los métodos ACI 211 y
MMCE-ACI 211 tienen una dosis de cemento más baja en aproximadamente 150Kg/m 3
respecto al diseño elaborado siguiendo estrictamente el manual del concreto estructural. Este
hecho hace que las mezclas sean manejables con menores cuidados y sin peligros excesivos
de retracción y exudación, pues a menor dosis de cemento menor será la cantidad de pasta en
el concreto.
4.4 PROPIEDADES EXPERIMENTALES DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
Una vez realizado el diseño de mezclas se procedió a elaborar el concreto para evaluar el
efecto de la sustitución de arena por PAG en las propiedades en estado fresco y endurecido.
4.4.1 Propiedades del Concreto en Estado Fresco
En estado fresco se evaluó cuantitativamente el asentamiento del concreto medido en cono
de Abrams y el contenido de aire atrapado, además cualitativamente se evaluó la estabilidad,
homogeneidad y la tendencia a la segregación.
En la figura 4.11 se observa que a medida que aumenta el porcentaje de sustitución de arena
por PAG las mezclas pierden fluidez. Este comportamiento es común para todas las mezclas
sin importar el método de diseño utilizado, aunque éste se mitiga un poco en las mezclas
diseñadas según el método MMCE-ACI 211, ya que la pérdida de fluidez en menos brusca.
El aumento de PAG en la mezcla incrementa el contenido de finos y ultrafinos en el concreto
y por lo tanto aumenta la superficie de roce de los agregados y con ello la fricción, por esta
razón es necesario incrementar la cantidad de agua y cemento (pasta) para lograr un mismo
asentamiento. (Porrero et al, 2003).
73
Figura 4.11: Variación del asentamiento medido en cono de Abrams con el porcentaje de sustitución
de arena por PAG en la mezcla de concreto según cada diseño de mezclas utilizado.
Las mezclas diseñadas según el método del manual del concreto estructural (MMCE)
presentan una pérdida de asentamiento más marcada que las demás mezclas, esto se debe a
que las mezclas así diseñadas se tornan muy pastosas y relativamente secas debido a la gran
cantidad de cemento y ultrafinos del PAG que entrar a formar parte de la pasta. Estos
ultrafinos en la pasta actúan como si el concreto hubiese sido diseñado con una relación
agua/cemento menor y por ende presentan los problemas de fluidez característicos de
concretos de alta resistencias. No ocurre lo mismo para la mezcla patrón porque en este caso
la cantidad de ultrafinos no modifica considerablemente la relación agua/cemento por lo que
el asentamiento no se ve afectado de manera importante.
El método ACI 211 permitió alcanzar un asentamiento mayor respecto a las mezclas
diseñadas según MMCE, pero la mezcla patrón era pedregosa, heterogénea y con alta
tendencia a la segregación y fue necesario hacer el ensayo de asentamiento en cono de
Abrams dos veces, pues la mezcla en vez de colapsar por su peso tendía a desmoronarse por
falta de cohesión entre los agregados y la pasta. Las demás mezclas con PAG perdieron su
heterogeneidad y segregabilidad con la introducción de PAG, aunque seguían siendo
ligeramente pedregosas (ver figura 4.12). Esta tendencia a ser heterogénea y segregable se
74
confirma con los valores de la desviación estándar en los ensayos realizados de resistencia a la
compresión (ver figuras 4.16 y 4.17), pues los valores registrados son considerablemente
mayores a los registrados para los demás ensayos.
Mezcla Patrón diseñada según el método ACI 211. Se
Mezcla con 30% de PAG diseñada según ACI 211. La
observa
mezcla ha perdido su heterogeneidad y segregabilidad.
gran
tendencia
a
la
segregación,
heterogeneidad y la mezcla se torna muy pastosa.
Figura 4.12: Ensayo de cono de Abrams para las mezclas diseñadas según ACI 211 donde se aprecia
cualitativamente las segregabilidad y heterogeneidad de las mezclas.
Las mezclas con contenido de PAG superior al 30% se tornan muy pastosas y estables
(similares al concreto bombeable), pero con mala fluidez y aunque se aumente
considerablemente el contenido de agua y cemento (dentro de límites razonables) no se logra
aumentar el asentamiento. Este comportamiento se debe a hecho de sustituir arena natural de
rio por un material proveniente de trituración de rocas calizas que son más angulosos y elevan
los requerimientos de pasta a valores que impactan negativamente la economía de la mezcla.
Debido al factor fluidez sólo es factible utilizar PAG como sustituyente de arena para
concretos de resistencia convencional (resistencia nominal de diseño igual a 250Kgf/cm2)
con una sustitución máxima del 15%, donde se observa que el diseño alcanza un óptimo de
resistencia para este porcentaje de sustitución (figura 4.17 y 4.18).
Las mezclas diseñadas según el nuevo método mixto muestran las bondades de ambos
métodos anteriores, pues las mezclas eran muy homogéneas y estables como las mezclas
75
diseñadas según MMCE, pero con la fluidez mejorada de las mezclas ACI 211. De hecho el
comportamiento observado de pérdida de fluidez con el incremento de PAG en la mezcla no
es tan marcado (para una variación de PAG del 45% sólo se obtuvo una pérdida de
asentamiento de 2,5 cm), debido principalmente a que existe un balance entre cantidad de
pasta necesaria para llenar los vacíos entre agregados y cantidad suficiente para conferir
fluidez sin tornarse pastosa, a pesar del hecho que los ultrafinos entran a formar parte de la
pasta y la consecuente disminución de la agua/cemento que esto implica, no afecta muy
marcadamente el asentamiento, pues la relación agua/cemento continua siendo alta comparada
con los valores obtenido para el diseño realizado por el método del concreto estructural.
La presencia de ultrafinos en la mezcla modifica el mecanismo de lubricación del concreto
debido a que los ultrafinos se comportan como el cemento, salvo que no tienen las
propiedades cementantes propias de éste, entrando a formar pasta, este hecho se modela como
si el concreto elaborado tuviese una relación agua/cemento menor lo que altera la fluidez del
concreto.
En la tabla 4.6 se presenta la relación agua/cemento modificada por efecto de la presencia
de ultrafinos y calculada como la dosis de agua dividida por la suma de la dosis de cemento
más la cantidad neta de material más fino que el cedazo # 200. Esta modificación en la
relación agua/cemento explica por qué las mezclas diseñadas por el método del manual del
concreto estructural pierden fluidez tan bruscamente comparada con las mezclas realizadas
siguiendo los otros métodos usados, ya que en el peor de los casos de los diseños ACI 211 y
MMCE-ACI 211 (45% de sustitución) corresponde con el mejor caso del método del manual
del concreto estructural (mezcla patrón). Esta alteración de la relación agua/cemento es la
responsable de la pérdida de asentamiento de las mezclas de concreto diseñadas por
cualquiera de los métodos utilizados.
76
Tabla 4.6: Alteración de la relación agua/cemento causa por la presencia de ultrafinos en los
agregados.
Método del manual del concreto estructural modificado (MMCE)
Mezcla
Dosis de
Dosis de
Porcentaje de
Masa de los
Contenido de
Relación
Agua (Kg)
Cemento
Material
agregados
Ultrafinos
agua/cemento
(Kg)
Pasante 200 (%)
(Kg)
(Kg)
modificada
Patrón
215,68
419,19
2,22
1468
32,59
0,48
15% sust.
215,68
419,19
3,22
1468
47,27
0,46
30% sust.
215,68
419,19
4,24
1468
62,24
0,45
45% sust.
215,68
419,19
4,95
1468
72,67
0,44
Método ACI 211
Mezcla
Dosis de
Dosis de
Porcentaje de
Masa de los
Contenido de
Relación
Agua (Kg)
Cemento
Material
agregados
Ultrafinos
agua/cemento
(Kg)
Pasante 200 (%)
(Kg)
(Kg)
modificada
Patrón
207
359,38
1,58
1820
28,76
0,53
15% sust.
207
359,38
2,27
1820
41,31
0,52
30% sust.
207
359,38
3
1820
54,60
0,50
45% sust.
207
359,38
3,78
1820
68,79
0,48
Método mixto MMCE - ACI 211
Mezcla
Dosis de
Dosis de
Porcentaje de
Masa de los
Contenido de
Relación
Agua (Kg)
Cemento
Material
agregados
Ultrafinos
agua/cemento
(Kg)
Pasante 200 (%)
(Kg)
(Kg)
modificada
Patrón
207
359,38
2,22
1800
39,96
0,52
15% sust.
207
359,38
3,22
1800
57,96
0,50
30% sust.
207
359,38
4,24
1800
76,32
0,48
45% sust.
207
359,38
4,95
1800
89,10
0,46
Además del asentamiento medido en cono de Abrams se evaluó el contenido de aire
atrapado en el concreto mediante el ensayo normalizado por la norma COVENIN 348
“método de ensayo para determinar el contenido de aire en el concreto fresco por medio del
método de presión”.
El contenido de aire atrapado es común en todas las mezclas de concreto independiente del
método de diseño utilizado. El método ACI 211 predice muy bien el contenido de aire
atrapado a diferencia del método del manual del concreto estructural que estima que el
contenido de aire atrapado es proporcional al contenido de cemento. Como se puede observar
77
en las tablas 4.3 y 4.4 la dosis de cemento determinada difiere en un 30,9% y en base a esto,
el contenido de aire atrapado en las mezclas debería diferir considerablemente, hecho que no
se evidencia en la práctica, lo que implica que el modelo del manual del concreto estructural
no se ajusta adecuadamente, ya que al comparar el contenido de aire teórico con el medido en
la práctica, se observa una desviación del 10%, que afecta el rendimiento real del concreto y
la dosificación de los agregados. Es por esta razón que al proponer el nuevo método de diseño
de mezclas se tomó del método ACI 211 el contenido de aire atrapado.
Tabla 4.7: Contenido de aire atrapado teórico y experimental, medido en porcentaje.
MMCE
ACI 211
MMCE-ACI 211
Teórico
Experimental
Teórico
Experimental
Teórico
Experimental
Patrón
1,65
1,50
1,50
1,45
1,50
1,50
15% sustitución
1,65
1,50
1,50
1,50
1,50
1,50
30% sustitución
1,65
1,55
1,50
1,55
1,50
1,50
45% sustitución
1,65
1,50
1,50
1,50
1,50
1,55
4.4.2 Propiedades del Concreto en Estado Endurecido
La propiedad más importante del concreto en estado endurecido es la resistencia a la
compresión a los 28 días, calculada como el promedio aritmético de al menos dos ensayos y
con una desviación estándar entre resultados inferior a 8 Kgf/cm2 según se especifica en la
norma COVENIN 338 “Método para la elaboración, curado y ensayo a compresión de
cilindros de concreto”.
4.4.2.1 Método del Manual del Concreto Estructural (MMCE)
Debido a la alta dosis de cemento calculada por MMCE, era previsible que el concreto
elaborado alcanzara una alta resistencia que no se ajustaría a la resistencia proyectada (300
KgF/cm2) en el diseño, de hecho a los 7 días el concreto ya superaba drásticamente la
resistencia de diseño, pues la resistencia a la compresión alcanzada era superior a los 350
78
Kgf/cm2 que es el valor obtenido para el 45% de sustitución como se observa en la figura
4.13.
Figura 4.13: Variación de la resistencia a la compresión con el contenido de PAG para los diferentes
métodos de diseño de mezclas. Edad de ensayo 7 días. (Fcr 7 días= 85% Fcr).
En la figura 4.13 también se puede observar el comportamiento de la resistencia a la
compresión como función del contenido de PAG, donde se aprecia globalmente que a medida
que aumenta el contenido de PAG disminuye la resistencia compresiva, la excepción de la
mezcla patrón ACI 211 puede ser explicada por su escasa fluidez y poca trabajabilidad (Ver
figura 4.12). Este comportamiento se debe a la sustitución de arena (material rico en sílice)
por PAG, material principalmente calizo (ver Figuras 4.1 y 4.2). De esta manera se elimina
considerablemente la formación de C-S-H secundaria, pues los subproductos de hidratación
(portlandita) que se generan durante la hidratación del cemento reaccionan con sílice para
promover el incremento de la resistencia mecánica, pero al ir disminuyendo la cantidad de
arena en cada mezcla por ser sustituida por PAG también disminuye de forma gradual la
cantidad de C-S-H secundaria que se genera por reacciones de química de superficie entre la
portlandita y la sílice en la arena y de este modo disminuye la resistencia a la compresión del
concreto aunque todas las mezclas contengan la misma cantidad de cemento y la misma
relación agua/cemento (Neville, 1986).
79
Con la resistencia a la compresión a los 7 días es posible predecir la resistencia esperada a
los 28 días para concretos convencionales sin adiciones activas (microsílice o cenizas
volantes) de esta forma se puede esperar que el concreto diseñado siguiendo el método del
manual del concreto estructural alcanzará una resistencia a la compresión de 540 Kgf/cm2
(mezcla patrón). Esta predicción se basó en la experiencia práctica que se tiene en el
laboratorio de control de calidad de concreto de planta SIMPCA, Puerto Ordaz donde se
considera que un concreto convencional con relación agua/cemento entorno a 0,50 tendrá una
ganancia de resistencia entre los 7 y los 28 de aproximadamente 18%.
En la figura 4.14 se observa la resistencia a la compresión a la edad normalizada de 28 días.
El comportamiento de la resistencia en función del contenido de PAG en el mismo observado
a los 7 días, pero es importante notar que la resistencia esperada los 28 días no se alcanzó
debido a que el concreto falló preferencialmente por el agregado grueso (ver figura 4.14).
Esto evidencia que la piedra 1” de PTG solamente puede ser usada en concretos con
resistencia de diseño inferior a los 450 Kgf/cm2 porque aunque se use una relación
agua/cemento baja y altas dosis de cemento la falla iniciará en el agregado grueso sin importar
la calidad de la pasta del concreto, pues se está excediendo la resistencia máxima del
agregado grueso (Porrero et al, 1979).
Figura 4.14: Variación de la resistencia a la compresión con el contenido de PAG para los diferentes
métodos de diseño de mezclas. Edad de ensayo 28 días.
80
Por otra parte, el hecho que la fractura ocurra preferencialmente en el agregado grueso (ver
figura 4.15), indica que la pasta del concreto tiene una resistencia mayor a la obtenida, pues la
fractura ocurre principalmente en el agregado grueso, componente mayoritario, el concreto no
alcanza la resistencia compresiva proyectada partiendo de la resistencia obtenida a los 7 días.
Figura 4.15: Superficie de fractura representativa de los cilindros ensayados a los 28 días de curado
húmedo de las mezclas elaboradas según el método del manual del concreto estructural.
En vista que la resistencia de diseño del concreto era 250 Kgf/cm2 a los 28 días y que las
mezclas diseñadas según el método del manual del concreto estructural alcanzaron
resistencias compresivas cercanas a los 500 Kgf/cm2 se confirma que este método de diseño
subestima la relación agua/cemento y sobreestima la dosis de cemento haciendo que los
diseños elaborados por este método no sean favorables económicamente y que si son
implementados requerirán de grandes ajustes que no serán prácticos ni rentables.
Las mezclas de concreto diseñadas según MMCE no alcanzaron el asentamiento de diseño
(5 pulgadas) al introducir PAG como sustituyente parcial de la arena, debido a este hecho se
procedió a realizar nuevamente el mezclado de dichos diseños de mezclas, pero en esta
oportunidad se ajustó el asentamiento, de todas las mezclas, a cinco (5) pulgadas mediante el
incremento de la dosis de cemento y agua (guardando la misma relación agua/cemento). Se
incrementó la dosis de cemento en 5,10 y 15% para las mezclas con 15, 30 y 45% de PAG,
respectivamente.
81
De esta manera se logró alcanzar el asentamiento de diseño, pero los costos de producción
aumentaron proporcionalmente con el incremento de la dosis de cemento, haciendo que el
PAG impactara negativamente sobre la economía de la mezcla, es decir, al utilizar PAG como
agregado para concreto en mezclas diseñadas según el MMCE, el costo de producción del
metro cúbico de concreto es mayor al costo de producción del concreto sin PAG, por lo tanto
no es factible usar dicho agregado como sustituyente de arena en mezclas diseñadas según
MMCE. Este comportamiento se observa en la figura 4.16, donde se muestra el incremento
del costo del metro cúbico de concreto al ajustar el asentamiento a cinco (5) pulgadas en
mezclas con 15, 30 y 45% de PAG como sustituyente parcial de arena.
Figura 4.16: Efecto del incremento de la dosis de cemento en el costo del metro cúbico de concreto de
mezclas elaboradas con diferentes porcentajes de PAG diseñadas por MMCE. Asentamiento de 5
pulgadas para todas las mezclas.
4.4.2.2 Método del American Concrete Institute (Comité ACI-211)
La variación de la resistencia a la compresión como función del porcentaje de sustitución de
PAG en la mezcla para los diseños elaborados según el método ACI 211 se muestra en la
figura 4.13 para una edad de 7 días. Como ya se mencionó, la mezcla patrón elaborada según
este método era poco trabajable, es decir, debido al alto contenido de piedra se tornó muy
segregable y heterogénea lo que dificultó su manejo durante la elaboración de los cilindros
82
para ensayos de compresión, este hecho se manifestó durante los ensayos compresivos, pues
la dispersión de los resultados resultó ser mayor comparada con los resultados obtenidos para
los demás ensayos realizados como se puede apreciar en la figura 4.13.
También, se observa en la figura 4.13, que la resistencia a la compresión alcanza un máximo
para un porcentaje de sustitución de arena por PAG del 15% superando para la edad de 7 días
la resistencia de diseño proyectada (300 Kgf/cm2), pues este máximo equivale a 370Kgf/cm2.
Debido al estricto control en la dosificación de los componentes se alcanzó la resistencia
deseada en laboratorio. Al aplicar estos diseños a escala industrial no se tendrán los mismos
controles debido a los grandes volúmenes de los materiales, por lo tanto se espera que la
variabilidad de los resultados sea mayor, entonces se considera que el sobrediseño obtenido
está dentro del rango aceptable para aplicaciones industriales que es el fin que se persigue
mediante esta investigación.
La razón por la cual se encontró un óptimo de resistencia para el 15% de sustitución se debe
que al aumentar el módulo de finura, la cantidad de piedra disminuye y por ende los finos que
estabilizan la mezcla aumentan haciendo que el concreto fuese más trabajable y homogéneo
(los valores de la desviación estándar confirman este hecho debido a que la mezcla patrón es
la única que muestra valores altos, barras de error grandes) y como se trata de un concreto
convencional donde la dosis de cemento no es elevada (C=359 Kg/m3), el efecto de la
reducción de arena no es tan marcado como en el caso de concretos de alta resistencia
(elevadas dosis de cemento, C=500 Kg/m3) ya que al existir una menor cantidad de material
cementante, se generan menores cantidades de subproductos de hidratación (Portlandita) que
requieran de arena para aportar resistencia al concreto. Cuando el porcentaje de sustitución es
del 30%, se hace evidente la pérdida de resistencia causada por la disminución de C-S-H
secundaria, pues hay una reducción de la resistencia del 7% respecto a la mezcla con 15% de
PAG como sustituyente de arena.
En la figura 4.14 se muestra el comportamiento de la resistencia a la compresión en función
del grado de sustitución de arena por PAG a la edad de ensayo normalizada (28 días). En ella
se observa el mismo comportamiento obtenido en los ensayos realizados a los 7 días de
curado húmedo continuo. La mezcla con 15% de sustitución alcanzó una resistencia
83
compresiva de 430Kgf/cm2 con una dosis de cemento 30,9% menor a la utilizada en el diseño
elaborado según el método del manual del concreto estructural y con una mejor fluidez el en
estado fresco (ver figura 4.11).
El efecto de sustituir arena por PAG en las mezclas elaboradas según el método de diseño
ACI 211 no tiene impacto significativo en la resistencia a la compresión del concreto como se
observó en las mezclas diseñadas por el método del manual del concreto estructural. Este
hecho se manifiesta en la figura 4.14 ya que la resistencia a la compresión de la mezcla con
45% de PAG solamente disminuyó su resistencia respecto al patrón en 40KgF/cm2, lo que
representa una disminución del 12,5%, contrario al 19,5% de decremento de resistencia de la
mezcla con 45% de PAG respecto a la mezcla patrón diseñada según el método del manual
del concreto estructural.
La pérdida de resistencia generada por la presencia de PAG en las mezclas diseñadas según
el método ACI 211 se debe a factores complejos relacionados entre sí, pues al estudiar la
influencia de la sustitución de arena por PAG bajo este método de diseño, no sólo se afecta el
contenido de especies químicas en la mezcla debido a la introducción de un agregado
adicional (PAG), sino que también se modifica la cantidad de piedra que existe en la mezcla
debido a la variación del módulo de finura del agregado fino con la presencia de PAG. Este
efecto se cuantificó calculando un factor beta comparativo como se aprecia en la tabla 4.4
mostrada anteriormente.
La presencia de un óptimo de sustitución del 15% de arena por PAG se debe a la
convergencia del efecto de modificar diferentes variables implícitas al diseño de mezclas,
pues los efectos directos de introducir PAG en la mezcla se observan en la modificación del
módulo de finura del agregado fino y su consecuente repercusión sobre la dosificación de
piedra en la mezcla, pero el balance entre las especies químicas que reaccionan con los
subproductos de
hidratación (hidróxido de calcio, Portlandita) para aportar resistencia
mecánica y una adecuada gradación de los agregados para favorecer una mayor compacidad,
uniformidad y en general una mejor trabajabilidad del concreto son variables implícitas que
no se toman en cuenta a la hora de realizar un diseño de mezcla mediante este método de
diseño, pues no se hace un estudio de la granulometría en la mezcla de los agregados.
84
Entonces para mejorar este método de diseño se debería considerar la granulometría en la
dosificación de los agregados, pues el módulo de finura no aporta suficiente información de la
gradación del agregado como se muestra en la figura 4.17, aunque es un buen indicador de
cambios en la granulometría de un agregado inherentes al proceso de extracción y que pueden
generar alteraciones importantes en la fluidez de la mezcla de concreto. (Porrero et al, 2003).
Figura 4.17: Arenas con igual módulo de finura, pero diferente granulometría.
Tomado del manual del concreto estructural, pág. 73.
4.4.2.3 Método Mixto (MMCE-ACI 211)
El método de diseño de mezclas propuesto, enlaza los atributos positivos (ya verificados en
la práctica) de cada método de diseño del que proviene, ACI 211 y método del manual del
concreto estructural, y permitió realizar mezclas con el asentamiento deseado y con la
resistencia proyectada, tal como se aprecia en la figura 4.13.
La resistencia del concreto dosificado según el método mixto MMCE-ACI 211 a la edad de
ensayo de 7 días se observa en la figura 4.13. En ella se aprecia el efecto de la sustitución de
85
arena por PAG, aunque el efecto del 15% de sustitución no se aprecia claramente porque los
valores de desviación estándar obtenidos para la mezcla patrón y para la mezcla con 15% de
PAG hacen que los resultados obtenidos se solapen y no den una indicación certera. Es
importante notar que la pérdida de resistencia al introducir PAG en la mezcla no es tan
marcada como en el caso del concreto dosificado según el método del manual del concreto
estructural ya que la diferencia de resistencia entre la mezcla patrón y la mezcla con 45% de
PAG es de sólo 45 KgF/cm2 para el nuevo método y 110 KgF/cm2 para el método MMCE.
En la figura 4.14 se observa el efecto de la sustitución de arena por PAG en el desarrollo de
resistencia a la compresión del concreto diseñado según el método mixto MMCE-ACI 211
para la edad de ensayo de 28 días, se aprecia claramente la existencia de un punto óptimo de
sustitución que corresponde a la mezcla con 15% de PAG, pues el efecto de sustituir la arena,
agregado rico en sílice, no genera cambios en la resistencia a la compresión del concreto ya
que los valores de resistencia alcanzados por la mezcla patrón y por la mezcla con 15% de
PAG son muy similares.
El efecto observado en la figura 4.14 se debe a que la sustitución de arena por PAG parece
no afectar de manera significativa la formación de tobermorita secundaria (C-S-H) al
reaccionar los subproductos de hidratación del cemento (portlandita) con la sílice de la arena.
Como la dosis de cemento de este concreto es 30,9% más baja que la usada en las mezclas
diseñadas según el método del manual del concreto estructural, por lo tanto la cantidad de
subproductos de hidratación serán proporcionalmente más bajos (ver ecuaciones 2.4, 2.5 y
2.6) y por ende la demanda de sílice en el agregado disminuirá, este hecho permite disminuir
la cantidad de arena en la mezcla para introducir otro agregado pobre en sílice sin que éste
afecte tanto la resistencia del concreto. (Allahverdi y Shiva, 2010).
Es importante notar el efecto positivo que tiene garantizar una cantidad suficiente de arena
en concretos con elevadas dosis de cemento, pues de esta forma se asegura un desarrollo de
resistencias adecuado y a la vez que se disminuye la porosidad interna lo que favorece la
durabilidad del concreto. Es por esta razón que cuando se utilizan agregados finos pobres en
sílice es recomendable utilizar adiciones activas como microsílice o cenizas volantes.
(Nilforoushan, 2005).
86
Sin importar el método de diseño de mezclas utilizado, la resistencia a la compresión
alcanzada a los 28 días siempre fue superior a la resistencia proyectada (300KgF/cm2) como
se observa en la figura 4.14.
Después de analizar individualmente las características del concreto obtenido por los
distintos métodos de diseño utilizados, fue necesario determinar cuál método permitió obtener
el concreto que mejor se ajustó a los parámetros de diseño establecido, tomando en cuenta, el
costo unitario, el asentamiento y la resistencia a la compresión a los 28 días. Esta información
se muestra de manera resumida en la figura 4.18, solamente para las mezclas con 15% de
PAG diseñada según MMCE, ACI 211 y MMCE-ACI 211 y la mezcla patrón según MMCEACI 211.
Figura 4.18: Características importantes a nivel industrial del concreto con PAG.
El fin último de esta investigación fue implementar el uso de PAG en concreto para
garantizar el suministro de agregados propios a las plantas premezcladoras de concreto de
Cemex Venezuela, empresa en transición. Por esta razón era de vital importancia obtener un
concreto con el menor costo de producción y con las mejores características en estado fresco y
endurecido.
87
El método mixto MMCE-ACI 211 permitió obtener la mezcla de concreto con las mejores
características tanto en estado fresco como endurecido, pues la resistencia a la compresión a
los 28 días fue de 393 Kgf/cm2 lo que representa un sobrediseño de 93 Kgf/cm2 respecto al
criterio que establece la norma COVENIN 1753 para concreto estructural con una fracción
defectuosa del 9%. Por tratarse de mezclas elaboradas a nivel de laboratorio con una
dosificación muy controlada este nivel de sobrediseño se encuentra dentro de un rango
aceptable de forma tal que tolere las variaciones propias del proceso industrial. En contraste,
la mezcla diseñada según el método ACI 211 resultó ser 4,13BsF más costosa por cada metro
cúbico de concreto, con un sobrediseño de 135Kgf/cm2 y el asentamiento alcanzado fue
inferior respecto a la mezcla realizada según el método MMCE-ACI 211. En cuanto a la
mezcla diseñada bajo el criterio del MMCE se obtuvo una resistencia compresiva a los 28 días
de 487KgF/cm2, lo que representa un sobrediseño de 187KgF/cm2, el cual está muy sobre
estimado, por otro lado la mezcla presentó un bajo asentamiento y un mayor costo de
producción (9,79 BsF/m3, respecto a la mezcla con 15% de PAG diseñada según MMCE-ACI
211), lo que hizo que este método de diseño se descartara para utilizar el PAG como agregado
para concreto.
Desde el punto de vista industrial, el método de diseño que permitió obtener los mejores
resultados al utilizar PAG como sustituyente de arena fue el método MMCE-ACI 211. Por
tratarse de un método nuevo de diseño de mezclas, fue necesario realizar una mezcla a escala
real para considerar las desviaciones propias de las plantas de premezclado, para ello se
utilizó la planta de concreto premezclado de SIMPCA, Puerto Ordaz para elaborar una mezcla
de 3m3 de concreto, siguiendo el diseño MMCE-ACI 211 ya realizado a escala de laboratorio
para la sustitución en 15% de arena por PAG. Para realizar esta prueba se utilizó una planta
premezcladora LOGOS V que funciona con el software COMMAND ALKON. Debido a
imprevistos técnicos con el despacho de la arena los Olivos 3 proveniente de Barcelona,
estado Anzoátegui fue necesario utilizar otra arena con granulometría similar a la arena en
cuestión, pero con un contenido de arcilla menor.
El concreto elaborado a nivel industrial mostró una excelente fluidez (asentamiento de 5
pulgadas) y buena estabilidad mostrado un balance adecuado entre agregados finos y gruesos.
Estas observaciones fueron realizadas por el personal obrero de la planta que colaboró con
88
aportes de su experiencia diaria en la toma de muestras y despacho de concreto de la planta
premezcladora de SIMPCA, Puerto Ordaz.
En la figura 4.19 se muestra la evolución de la resistencia a la compresión del concreto con
15% de PAG como sustituyente de arena elaborado a escala industrial.
Figura 4.19: Evolución de la resistencia a la compresión en mezclas a escala industrial del concreto
dosificado según el método de diseño MMCE-ACI 211
Convencionalmente, se suelen realizar ensayos a 3, 7, 14 y 28 días para documentar el
desarrollo de resistencia del concreto, pero en este caso se realizaron los ensayos a los 2 días
por razones de logística, pues la mezcla fue realizada un día miércoles y el ensayo a 3 días
correspondía a un día no laborable.
En la figura 4.19 se observa la evolución de la resistencia a la compresión del concreto
diseñado según el método MMCE-ACI 211 con 15% de PAG como sustituyente de arena, en
ella se puede apreciar que la resistencia alcanzada a nivel industrial supera la resistencia que
se alcanzó en las mezclas de laboratorio, tendencia que es muy extraña y poco común, pues el
control en la dosificación de los componentes en las mezclas de laboratorio es más estricto y
controlado que a nivel industrial y por ende era de esperar un nivel de resistencia menor al
89
alcanzado en las mezclas de laboratorio. Estos valores de resistencia se obtuvieron debido a
que la arena usada en la prueba industrial era de mejor calidad respecto a la arena de los
Olivos 3, que contiene una mayor cantidad de arcillas y orgánicos que afectan el desarrollo de
resistencias del concreto.
La prueba industrial realizada también mostró aspectos importantes del PAG que no pueden
ser observados en las pruebas en laboratorio debido a las relativas pequeñas cantidades de
material que se utilizan en éstas, pues este material al estar húmedo produce problemas de
alimentación en las tolvas de la planta premezcladora, ya que tiende a adherirse de la paredes,
taponando la tolva y por ende deteniendo el proceso porque se impide la dosificación del
agregado. Debido a este problema de alimentación se recomendó utilizar este agregado
únicamente en periodo de sequía para evitar los inconvenientes ocurridos durante la ejecución
de la prueba industrial realizada.
Lamentablemente por razones de logística en el despacho de la arena y a los costos
asociados al transporte y despacho de los agregados de Barcelona hacia Puerto Ordaz, no se
pudo realizar una prueba industrial que fuese totalmente representativa del estudio realizado
con PAG, pero de los resultados obtenido en laboratorio y en planta, confirmaron que el PAG
es un agregado que puede ser usado en concreto premezclado hasta un 15% de sustitución de
arena sin afectar negativamente la resistencia y la fluidez del concreto y aportando un
beneficio económico para CEMEX VENEZUELA, empresa en transición.
Los resultados de este estudio permitieron a la empresa CEMEX VENEZUELA, empresa
en transición, implementar el uso de PAG como agregado para concreto premezclado
siguiendo el diseño realizado en este trabajo, impactando positivamente las finanzas de la
empresa, ya que al considerar al PAG como un agregado apto para concreto y no un subproducto se le aumentó el precio para ventas a terceros en un 60%, pasando de 9BsF/ton a
15BsF/ton. Considerando que la planta Pertigalete comercializa a terceros un promedio
20.000 toneladas de PAG al mes, el impacto económico es importante, pues la empresa
percibe 120.000BsF adicionales al mes al vender la misma cantidad de material.
90
En cuanto al ahorro generado para la dirección de concreto al implementar el uso de PAG se
obtuvo un beneficio económico de 3,55BsF/m3 de concreto, aunque este beneficio aún no se
percibe debido a que actualmente Venezuela se encuentra en periodo de lluvias y por los
problemas en la alimentación del PAG húmedo observados en la prueba industrial no se ha
implementado el despacho de concreto con PAG. Haciendo una predicción de los beneficios
que se espera obtener en la planta piloto de SIMPCA, Barcelona (lugar donde se iniciará el
despacho del concreto aquí diseñado), en promedio dicha planta despacha alrededor de
3.000m3 de concreto mensuales, lo que implica una ganancia de 127.800BsF/mes sólo en esta
planta, que resulta ser una de las más pequeñas y con menor cartera de clientes. Debido a esto,
se escogió como planta piloto para realizar el despacho a nivel industrial del concreto aquí
diseñado con la finalidad de evaluar y hacer los ajustes pertinentes al diseño. En definitiva
CEMEX Venezuela, empresa en transición percibirá 1.567.800BsF/año, como beneficio de la
implementación de los resultados obtenidos en el presente trabajo.
Los beneficios económicos calculados para la dirección de concreto de CEMEX
VENEZUELA, empresa en transición son muy escuetos debido a que al no haberse
implementado el despacho de concreto diseñado durante el desarrollo del presente trabajo, no
se pudo determinar con exactitud el beneficio neto del nuevo diseño de mezclas presentado a
la empresa, pues implica un cambio total en el diseño del concreto despachado. Por otra parte
reduce la compra de arena de los Olivos 3 lo que implica una disminución de los costos de
flete por transporte de la arena lo que incide directamente el costo del metro cúbico de
concreto, esto no se tomó en cuenta en la presente investigación.
91
CONCLUSIONES
Una vez cubierta la metodología planteada y después del análisis de los resultados obtenidos
se llegó a las siguientes conclusiones:
El polvillo arenoso grueso (PAG) puede ser utilizado como agregado para concreto como
sustituyente de la arena en un máximo de 15% sin afectar la fluidez y resistencia del concreto.
La piedra 1” de Pertigalete puede ser utilizada en concretos hasta una resistencia de diseño
de 400KgF/cm2, debido a que a resistencias mayores la fractura ocurre preferencialmente por
el agregado grueso.
El método de diseño del manual del concreto estructural es un método muy conservador
para el diseño de mezclas, pues sobreestima la dosis de cemento y subestima la relación
agua/cemento impidiendo de esta forma obtener diseño eficientes que requieran de pequeños
ajustes en la dosificación y que además resultan muy costosos.
El modelo para estimar el contenido de aire atrapado sugerido por el método del manual del
concreto estructural no se ajusta a los valores obtenidos en la realidad.
Los concretos de alta resistencia requieren de altos contenidos de agregados silíceos
(arenas) para obtener una resistencia adecuada, pues estos son muy sensibles en ese aspecto
ya que al usar altas dosis de cemento se incrementa la demanda de sílice para que los
subproductos de hidratación (Portlandita) aporten resistencia al concreto.
92
La presencia de ultrafinos en los agregados produce incremento en los requerimientos de
agua de mezclado, ya que éstos disminuyen la relación agua/cemento y por lo tanto se debe
considerar la presencia de los mismos al establecer la dosis de agua para alcanzar el
asentamiento deseado o para que las correcciones necesarias del diseño de mezcla sean
mínimas.
La dosis de agua recomendada por el método de diseño de mezclas ACI-211 no considera la
presencia de ultrafinos en la mezcla y por lo tanto es necesario realizar mezclas de prueba
para corregir la dosis de agua necesaria para alcanzar el asentamiento sin modificar la dosis de
cemento.
El método mixto de diseño de mezclas aquí planteado permitió obtener una mezcla de
concreto que satisfizo los requerimientos de diseño en cuanto a resistencia y asentamiento,
aunque fue necesario corregir la dosis de agua debido a la presencia de ultrafinos en la
mezcla.
Al considerar la distribución granulométrica de los agregados para determinar la proporción
en la que deben ser mezclados, se evitan problemas de segregación y las mezclas tienden a ser
más homogéneas y estables. De esta forma se ofrece una mejora muy importante al método de
diseño ACI-211.
El método de diseño MMCE-ACI 211 permitió elaborar mezclas con menores costos y con
propiedades en estado fresco y endurecido que mejor se ajustaron a los parámetros iniciales
de diseño.
93
RECOMENDACIONES
Al utilizar agregados con contenido elevado de materiales ultrafinos (material pasante malla
200) es necesario realizar un control de calidad frecuente y estricto de éste para realizar
correcciones en los requerimientos de agua de mezclado para mantener constante el
asentamiento del concreto y de esta forma evitar posibles problemas de exudación y
segregación.
Para mejorar la estimación del contenido de agua necesario cuando se trabaje con materiales
con altos contenidos de ultrafinos se recomienda buscar una ecuación empírica que permita
calcular la dosis de agua considerando el contenido de ultrafinos y sus efectos sobre la
reología del concreto fresco.
Cuando no se disponga de agregados silíceos (arena) o cuando su distribución
granulométrica no permita el uso de la cantidad adecuada de éstos para la fabricación de
concretos de resistencia elevada se recomienda utilizar microsílice o cenizas volantes para
garantizar el adecuado desarrollo de resistencias debido al alto contenido de cemento que
requiere este tipo de concreto.
94
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