UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA Departamento de Obras Civiles

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
Departamento de Obras Civiles
Laboratorio de Ensayes de Materiales y Control de Obras
Laboratorio Vial - CIV-369
2º Semestre 2010
LABORATORIO Nº 2
Resistencia Mecánica del hormigón en pavimentos
Nombres:
Felipe Hernández V.
Constanza Segura T.
Roles:
2511022-6
2502015-4
Profesor:
Rodrigo Delgadillo.
Fecha de Entrega:
21 Septiembre 2010
Índice de Contenidos
Introducción .................................................................................................................................................. 3
Objetivos ....................................................................................................................................................... 4
Descripción.................................................................................................................................................... 5
Instrumentos Ensayo a la Tracción por Flexión ........................................................................................ 5
Instrumentos Ensayo a la Tracción por Hendimiento ............................................................................... 5
Procedimiento............................................................................................................................................... 6
Ensayo a la Tracción por Flexión ............................................................................................................... 6
Ensayo a la Tracción por Hendimiento ..................................................................................................... 9
Factor de correlación .................................................................................................................................. 10
Resultados ................................................................................................................................................... 11
Criterios de admisión de los Resultados ..................................................................................................... 15
Conclusiones ............................................................................................................................................... 17
Índice de Figuras
Figura 1 Aplicación P/2 en los límites del tercio central
y Figura 2 Aplicación P en el centro de la luz de
ensaye………………………………………………………………………………………….............................................................. 6
Figura 3 Dimensiones en la Viga ................................................................................................................... 7
Figura 4 Elevación Frontal y Figura 5 Isométrico ....................................................................................... 9
Índice de Tablas
Tabla 1 Valor Factor de Corrección corregido ............................................................................................ 11
Tabla 2 Cálculo Resistencia al Hendimiento y a Flexotracción ................................................................... 14
Tabla 3 Datos para verificación de cumplimiento ...................................................................................... 16
Tabla 4 Tipo Multas por incumplimiento .................................................................................................... 16
2
Introducción
El comportamiento del hormigón bajo ciertas situaciones de carga, es de suma importancia en el ámbito
ingenieril, particularmente en el área de la vialidad. Más específicamente, en el diseño de pavimentos
rígidos se tiene como principal variable de decisión las características y especificaciones de la capa
superficial, puesto que es ésta quien soporta y distribuye principalmente los esfuerzos asociados a las
solicitaciones del tráfico.
Para efectos teóricos, los pavimentos rígidos (de hormigón) se modelan como elemento losa, siendo los
esfuerzos de tracción determinantes en el diseño en cuanto a la resistencia necesaria que deben tener.
Para la verificación de la calidad del pavimento que se fabrica y que es entregado, existe un personal a
cargo debidamente calificado quienes a través de distintos ensayes en laboratorio (Ensaye de Tracción
por Flexión y Tracción por Hendimiento) determinan la calidad de éste.
Estos ensayes son realizados mediante testigos, con probetas prismáticas para el caso de Flexión y
probetas cilíndricas para Hendimiento, los que entregan la resistencia del pavimento a tracción, cuya
importancia radica fundamentalmente en lo que respecta a las fibras inferiores del pavimento, ya que es
en donde los esfuerzos son mayores y por tanto es donde comienza el agrietamiento.
En el presente informe de laboratorio se estudia el procedimiento para determinar una evaluación
estadística de hormigón para pavimento. En particular, se estudian 2 métodos de evaluación de la
resistencia a la tracción del hormigón, primero usando probetas prismáticas y luego cilíndricas.
Finalmente, es necesario verificar que la resistencia a la flexotracción obtenida para las probetas cumpla
con lo estipulado en la normativa pertinente.
3
Objetivos

Estudio del procedimiento y normativa asociada al Ensayo de Tracción por flexión de probetas
prismáticas (MC 8.402.12).

Estudio del procedimiento y normativa asociada al Ensayo de Tracción por hendimiento de
probetas cilíndricas (MC 8.402.13).

Realizar una evaluación estadística de hormigón para pavimentos.

Determinar el factor de correlación para distintos estados de carga aplicada entre probetas
prismáticas y cilíndricas, es decir, la razón entre la resistencia a tracción por Flexión y la tracción
por Hendimiento.

Determinar la resistencia a la flexo tracción de las probetas y verificar que éstas cumplan con los
límites señalados en MC 5.410.
4
Descripción
La resistencia mecánica del pavimento de hormigón podrá ser evaluada mediante compresión o tracción
por hendimiento.
Para pavimentos de hormigón con una superficie menor o igual a 35.000[m2] la evaluación de éste se
realiza por ensayos de compresión, y para pavimentos con una superficie mayor a 35.000[m2] éste se
controla por ensayos de tracción por hendimiento aplicados a testigos extraídos de la carpeta de
rodado. Estos testigos son ensayados, y a los resultados obtenidos se debe hacer un análisis estadístico.
Instrumentos Ensayo a la Tracción por Flexión
Prensa de ensaye: Ejerce la carga sobre la probeta prismática. Tiene rigidez suficiente para resistir los
esfuerzos del ensaye sin alterar las condiciones de distribución y ubicación de la carga y lectura de
resultados.
Dispositivo de Tracción por Flexión: Transmite las cargas a la probeta, a través de piezas para apoyo de
la probeta tal que las reacciones sean en forma vertical y dispuestas de modo que las líneas de contacto
sean paralelas entre sí; y piezas para aplicar la carga cilíndricas, logrando un contacto rectilíneo. En la
superficie de contacto se usa una superficie cilíndrica
Regla Rectificada: Tendrá una longitud igual o mayor que 500 [mm].
Regla Graduada o Huincha: Graduada en milímetros y de una longitud igual o mayor que 1[m].
Instrumentos Ensayo a la Tracción por Hendimiento
Prensa de Ensaye: De características similares a la antes descrita, pero no es la misma. Debe cumplir con
MC 8.402.11.
Placa suplementaria: Distribuye la carga por todo el cilindro. Es de acero.
Tablillas de Apoyo: Elementos de apoyo, de madera contrachapada. De longitud igual o ligeramente
mayor que la de la probeta.
Regla Graduada: Graduada en milímetros, con una longitud igual o mayor que 400 [mm].
Balanza: Con una capacidad superior a 20 [Kg] y una resolución mínima de 1 [g].Se usa para obtener
densidades.
5
Procedimiento

Antes de la toma de muestra de hormigón se realiza el ensayo de cono de Abrahams para
determinar la docilidad del hormigón. Luego se toman las muestras de hormigón para ensayos.

El hormigón se vierte al interior de las probetas, y mediante un vibrador se efectúan 3
inserciones para dar compactación en el caso de probetas prismáticas. Con ello se eliminan los
vacíos al interior de la mezcla.

Con la misma amasada de hormigón se llenarán probetas cilíndricas de diámetro d= 15 [cm] y
altura h=30 [cm]. Estos cilindros también se ensayan a los 90 días. Los cilindros se llenan hasta la
mitad, se vibra, y se llena la segunda mitad la que también debe vibrarse.

Las probetas, tanto prismáticas como cilíndricas se almacenan durante los 90 días en una
cámara de curado a una temperatura entre 17-23ºC y humedad mayor a 90%. El día antes de
ensayarlas se dejan sumergidas en agua durante 24 horas.

Luego la probeta se enrasa y se deja cubierta con una membrana húmeda para evitar la
evaporación brusca del contenido de agua.
Ensayo a la Tracción por Flexión

Se aplican cargas P/2 en los límites del tercio central de la luz de ensaye, dado que las probetas
tienen dimensión básica 150[mm].

Se aplica una carga P en el centro de la luz de ensaye, dado que las probetas tienen dimensión
básica 100[mm].
Figura 1 Aplicación P/2 en los límites del tercio central
Figura 2 Aplicación P en el centro de la luz de ensaye
6

El ensayo se realiza en dos apoyos cuya luz es 450[mm] como mínimo (luz mayor que 3h.).

La viga se marca dividiéndola en 3 partes iguales de 150[mm] cada parte, para el caso de carga
de P/2.
Figura 3 Dimensiones en la Viga

La distancia entre la línea de apoyo y el extremo más cercano de la probeta será igual o mayor a
2.5 [cm].

Se trazan líneas finas en las caras de modo que indiquen el lugar de aplicación de las cargas,
para poder verificar la posición de rotura de la probeta.

La carga se aplica de forma continua, uniforme, a una velocidad de entre 0.015 y 0.02
[N/mm2/s]. La carga máxima P se registra en [N].

La resistencia a la tracción por flexión como la tensión de rotura viene dada por la siguiente
fórmula, para el caso que la probeta sea cargada con P/2 en los límites del tercio central de la
luz de ensaye y la fractura se produzca en el tercio central de la luz (como lo hizo en el ensayo
visto en laboratorio):
ft 

P L
[ Mpa]
b  h2
ft :
Tensión de rotura, (MPa).
P :
Carga máxima aplicada, (N).
L :
Luz de ensaye de la probeta, (mm).
b :
Ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, (mm).
h :
Altura promedio de la probeta en la sección de rotura, (mm).
En flexo tracción la resistencia debe ser mayor o igual a 4,6 [Mpa].
7

La resistencia a la tracción por flexión como la tensión de rotura viene dada por la siguiente
fórmula, para el caso que la probeta sea cargada con P en el punto medio de la luz de ensaye:
ft 
3xPxL
2 x b x h2
ft :
Tensión de rotura, (MPa).
P :
Carga máxima aplicada, (N).
L :
Luz de ensaye de la probeta, (mm).
b :
Ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, (mm).
h :
Altura promedio de la probeta en la sección de rotura, (mm).
8
Ensayo a la Tracción por Hendimiento

Las probetas, de las cuales se tienen los valores del ensayo, tienen propiedades geométricas de
diámetro 150[mm] y largo 150[mm].

Se traza con una línea fina un diámetro en cada una de las bases del cilindro, ambos deberán
estar dentro de un mismo plano, después se deben unir ambas rectas mediante el trazado de
dos generatrices que definan claramente las líneas de contacto con las tablillas de apoyo.

Se coloca la probeta sobre la tablilla de apoyo y luego la segunda tablilla de apoyo sobre la placa
superior.
Figura 4 Elevación Frontal

Figura 5 Isométrico
Se aplica la carga en forma continua y uniforme sin golpes ni interrupciones, a una velocidad de
que va entre 0.01 y 0.02 [N/mm2/s]. La carga máxima P se registra en [N].

La resistencia a la tracción por hendimiento viene dada por:
fh 
2 P
[ MPa]
 l  d
Donde:
fh :
Resistencia a tracción por Hendimiento, (MPa).
P :
Carga máxima aplicada por la máquina de ensaye, (N).
d :
Diámetro de la probeta, (mm).
l :
Longitud de la probeta, (mm).
9
Factor de correlación
Se define como la razón entre la tracción por Flexión y por Hendimiento, ensayadas a 90 días por cada
par de muestras, que tiene un estado de carga característico.
El factor de correlación se calcula con todas las probetas que tomó el laboratorio de autocontrol y el
laboratorio de vialidad, para cada tipo de hormigón o proveedor.
Se describe a continuación el procedimiento de cálculo seguido:
ft
fh

Se calcula C (factor de correlación) según C 

Para el conjunto de datos se calcula la media y la desviación estándar (de c). Según MC 5.410,
los decimales para los cálculos son de un decimal para los C y de tres para la desviación
estándar.

Se eliminan los valores extremos que se encuentran fuera del rango determinado por:
Cmedio  2 c ; Cmedio  2 c 

Para los valores que se encuentren dentro del rango, se re calcula el promedio.

El coeficiente de correlación a utilizar será este valor obtenido.

Una vez determinado el factor C, vialidad extrae testigos cada 1750[m2 ] de la carpeta de
hormigón ya construida, de los cuales determina la resistencia a la tracción por hendimiento. Se
tendrá entonces la resistencia al hendimiento del testigo.
f ht
 4.6[ MPa]
0.85

La resistencia a tracción por flexo tracción será f t  C 

El coeficiente 0.85 se asocia a una recomendación dada por la ACI, en la cual se considera la
disminución de resistencia debido al daño producido a la probeta al ser extraída por las sierras
diamantadas.
10
Resultados
Con los datos que se obtienen del laboratorio del Ensayo de Tracción por Flexión como del Ensayo de
Tracción por Hendimiento, se obtiene el Factor de Corrección “C” según la fórmula dada anteriormente:
C
ft
fh
Con todos los valores de C, se tiene la estadística siguiente:
Cmedio
2,1
σC
0,088
Cmín
1,9
Cmáx
2,3
Cmedio - 2σC
1,92
Cmedio + 2σC
2,28
Ccorregido
2,1
σC corregida
0,073
Tabla 1 Valor Factor de Corrección corregido
Se corrige éste factor dejando fuera los valores de C que superen 2.28 y que sean inferiores a 1.9. El
valor corregido de C es de 2.1.
Vale decir que los cálculos para el promedio de C y su desviación estándar, fueron calculados con uno y
tres decimales respectivamente, presentando el valor final de C corregido igualmente con un solo
decimal.
Al tener el valor de C corregido, se procede al cálculo de “Correlación a hendimiento” y en consecuencia
la “Correlación a Flexotracción” con las relaciones presentadas anteriormente.
11
Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Probetas
Probetas
Ensayo
Ensayo
Hendimiento Flexotracción
[Mpa]
[Mpa]
2,04
4,73
2,24
4,74
2,32
4,69
2,15
4,62
2,16
4,66
2,18
4,63
2,33
4,54
2,25
4,57
2,22
4,50
2,26
4,65
2,31
4,62
2,17
4,68
2,35
4,79
2,42
4,82
2,36
4,76
2,34
4,62
2,26
4,65
2,27
4,66
2,46
4,58
2,33
4,60
2,27
4,64
2,24
4,61
2,18
4,64
2,20
4,75
2,18
4,71
2,27
4,72
2,23
4,68
2,29
4,71
2,27
4,69
2,30
4,64
Coeficiente
Testigo al Correlación a Correlación a
Correlación Hendimiento Hendimiento Flexotracción
"C"
P[kN]
[Mpa]
[Mpa]
2,10
123
1,74
4,3
2,10
123
1,74
4,3
2,10
135
1,91
4,72
2,10
131
1,85
4,58
2,10
132
1,87
4,61
2,10
130
1,84
4,54
2,10
132
1,87
4,61
2,10
130
1,84
4,54
2,10
132
1,87
4,61
2,10
125
1,77
4,37
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
2,12
4,61
2,16
4,65
2,17
4,66
2,27
4,75
2,19
4,74
2,22
4,71
2,33
4,63
2,30
4,60
2,30
4,65
2,17
4,84
2,21
4,80
2,19
4,86
2,33
4,71
2,35
4,69
2,38
4,71
2,15
4,62
2,17
4,63
2,20
4,66
2,29
4,59
2,27
4,61
2,26
4,58
2,23
4,53
2,20
4,54
2,30
4,55
2,17
4,61
2,20
4,65
2,18
4,65
2,28
4,75
2,26
4,72
2,32
4,68
2,26
4,63
2,30
4,65
2,32
4,65
2,37
4,58
2,39
4,57
2,41
4,59
2,10
126
1,78
4,4
2,10
130
1,84
4,54
2,10
129
1,82
4,51
2,10
135
1,91
4,72
2,10
134
1,90
4,68
2,10
133
1,88
4,65
2,10
131
1,85
4,58
2,10
125
1,77
4,37
2,10
126
1,78
4,40
2,10
132
1,87
4,61
2,10
134
1,90
4,68
2,10
129
1,82
4,51
13
23
24
2,28
4,78
2,36
4,74
2,32
4,75
2,22
4,70
2,24
4,71
2,28
4,73
2,10
130
1,84
4,54
2,10
135,00
1,91
4,72
Tabla 2 Cálculo Resistencia al Hendimiento y a Flexotracción
Como la resistencia especificada a 90 días es 4.6 [MPa] y como sólo 10 muestras cumplen con este
requisito, es necesario analizar si se aceptará o se aplicarán multas.
14
Criterios de admisión de los Resultados
Según MC 5.410, se aceptarán los lotes si cumplen las siguientes condiciones:
a ) f i  f o  f t  0.7  MPa 
b) f m  f t  s  t  MPa 
Donde,
fm :
Resistencia a tracción media del lote a 90 días [MPa].
ft :
Resistencia de tracción por flexión característica a 90 días considerando una fracción defectuosa
del 20% [MPa].
s:
Desviación normal de las resistencias a tracción por flexión del lote [MPa].
t:
Factor estadístico dependiente del número de muestras del lote para una fracción defectuosa
del 20%.
fi :
Resistencia a tracción individual de cada testigo a 90 días [MPa].
fo :
Resistencia mínima individual [MPa].
El valor de la resistencia de tracción característica específica a 90 días será considerado de 4,6[MPa].
Criterio a
fo  ft  0.7
fo  4,6  0.7  3,9 [MPa]
Se verifica:
fi  3,9  MPa
Se cumple ya que todas las probetas superan los 3.9 [Mpa].
Criterio b
b) fm  ft  s  t  MPa
No se verifica:
fm  4,71 MPa
Nº de muestras
24
ft
4,6
[MPa]
fo
3,9
[MPa]
s
0,127
[MPa]
t
0,858
fm
4,54
[MPa]
ft+st
4,71
[MPa]
Tabla 3 Datos para verificación de cumplimiento
Al no cumplirse el criterio b, se aplican multas según la tabla 5.410.315.B.
Tabla 4 Tipo Multas por incumplimiento
Como las probetas se encuentran en la primera desigualdad, la multa es proporcional a la disminución
de la resistencia, así:
4.54
100  96.39%
4.71
La multa será de 100%-96.39%=3.61%
16
Conclusiones
El tipo de ensayo a realizar para pavimentos de hormigón depende de la superficie contemplada en el
proyecto. El ensayo de compresión se realiza cuando la superficie es menor o igual a 35.000  m 2  .
En consecuencia, el ensayo de tracción se ejecuta para grandes superficies. A modo referencial, para
trazados mayores a 4,5[Km] en caminos de 4 pistas. En este caso, los ensayos son de diferente
naturaleza, pudiendo ser testigos cilíndricos, teniéndose que ensayar por hendimiento; y cuando son
probetas prismáticas, se ensayan por flexión.
Para efectuar la recepción de un pavimento se van tomando muestras del hormigón a medida que se va
ejecutando la faena de hormigonado. El departamento de vialidad del MOP establece que los testigos
deben tomarse cada 1750[m].
En hormigones de pavimentos la resistencia debe cumplirse a los 90 días, no a los 28 como en
hormigones estructurales. Sin embargo, se pueden ensayar probetas a los 7 días, a los 28 días para
establecer una aproximación de la resistencia a los 90 días.
Del conjunto de datos, se verificaron los 2 criterios expuestos en MC5.410, es decir, para el conjunto de
probetas se recepciona según el criterio por tracción por flexión mediante ensayos hendimiento.
La importancia del ensayo radica en que es posible obtener indirectamente la capacidad de un hormigón
para poder resistir tracciones (testigo), lo que es sumamente importante en las fibras inferiores de una
capa de hormigón, dado que es donde se inicia el agrietamiento y está relacionado con la fatiga del
material.
Por esto, el fabricante al no cumplir con los requisitos de resistencia del hormigón, debe someterse a
multas que se encuentran definidas en el Manual de Carreteras las cuales dependen del grado de
incumplimiento de las probetas.
17