DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO DEALTA RESISTENCIA

I. RESUMEN

Se requiere previamente determinar las propiedades físicas de los materiales a usar:

* Peso específico de masa, grado de absorción, contenido de humedad, módulo de finura (agregado fino y agregado grueso).

* Tamaño Máximo Nominal, perfil y peso seco compactado (agregado grueso).

* Tipo y peso específico del cemento.

* Calidad del agua.

* Grado de control.

Una vez completado el diseño y determinadas las cantidades en peso de cada uno de los constitutivos del concreto se procedió con su preparación, para luego determinar su Slump y peso unitario del concreto fresco; posteriormente se efectuó el vaciado en los moldes metálicos previamente cubiertos interiormente con aceite.

El concreto reposó en el molde metálico por espacio de 24 horas, al cabo de las mismas las probetas fueron desmoldadas y sumergidas completamente en agua por 6 días, luego de ello se secaron al ambiente por 1 hora.

A los 7 días, las probetas, fueron sometidas al Ensayo de Resistencia a la Compresión, previa determinación de sus dimensiones y peso seco, considerando que alcanzara el 70% de la resistencia especificada a los 28 días.

Cabe hacer notar que la preparación del concreto se realizó manualmente, utilizando para ello una carretilla y una palana.

II. INTRODUCCIÓN.

El concreto es un material heterogéneo constituido principalmente de la combinación de cemento, agua y agregados fino y grueso. El concreto contiene un pequeño volumen de aire atrapado, y puede contener también aire intencionalmente incorporado mediante el empleo de un aditivo.

Actualmente el concreto es el material de construcción de mayor uso en nuestro país. Si bien la calidad final del concreto depende en forma muy importante del conocimiento del material y de la calidad profesional del ingeniero, el concreto es, en general, desconocido en muchos de sus siete

grandes aspectos: naturaleza, materiales, propiedades, selección de las proporciones, proceso de puesta en obra, control de calidad e inspección, y mantenimiento de los elementos estructurales.

El Comité 211 del Instituto Americano del Concreto (ACI) ha desarrollado un procedimiento de diseño de mezclas de concreto bastante simple, el cual permite obtener valores de los diferentes materiales que integran la unidad cúbica de concreto.

La determinación de las cantidades de materiales requeridas para preparar una unidad cúbica de concreto implica una secuencia cuyo cumplimiento permite, en función de las características de los materiales, preparar la mezcla adecuada para el trabajo que se va a efectuar.

III. OBJETIVOS

* Realizar el diseño de una mezcla de concreto usando el método del Comité 211 del Instituto Americano del Concreto (ACI), basándonos en una resistencia requerida de f’cr = 700 Kg/cm2

* Determinar las propiedades tanto del concreto fresco (slump, peso unitario), como del concreto endurecido (esfuerzo de rotura, esfuerzo máximo).

* Evaluar la resistencia alcanzada por el concreto endurecido a los 7 días.

IV. JUSTIFICACIÓN:

El concreto, es uno de los principales elementos de construcción civil, ya que es parte primordial de muchas de las obras de ingeniería, resulta evidente la importancia que tiene la realización de este estudio ya que la calidad de éste será factor preponderante en el éxito del proyecto a ejecutar.

V. MARCO TEORICO.

DEFINICIONES FUNDAMENTALES:

* CONCRETO:

También denominado Hormigón, denominación que se le da a la mezcla de aglomerante (generalmente cemento), Agregado fino, Agregado Grueso, Agua, y pequeñas cantidades de aire, puede también contener otros componentes como aditivos.

* CEMENTO:

Se define como cementos a los materiales pulverizados, que poseen la propiedad que por adición de una cantidad conveniente de agua, forman una pasta conglomerante capas de endurecer tanto bajo el agua como el aire, y formar compuestos estables; quedan excluidas de estas definiciones las cales hidráulicas, las cales aéreas y los yesos.

* CEMENTO PORTLAND NORMAL:

El cemento portland normal es el producto obtenido por la pulverización del clinker portland con la adición eventual de sulfato de calcio. Se admite la adición de otros productos siempre que no excedan el 1% en peso del total y que la Norma correspondiente determine que su inclusión no afecta las propiedades del cemento resultante. Los productos adicionados deberán ser pulverizados conjuntamente con el clinker.

El cemento portland normal deberá cumplir con los requisitos indicados en la Norma ASTM C 150 para los Tipos 1. II. y V, los cuales se fabrican en el Perú.

Alternativamente podrán emplearse los requisitos de las Normas NTP para Cementos.

* AGREGADOS (Cantera la ………)

Los agregados a usarse son: agregado fino (arena), y agregado grueso (grava). Ambos deberán considerarse como ingredientes separados del cemento.

Deben estar de acuerdo con las especificaciones para agregados según Norma A.S.T.M. C-33, se podrá usar otros agregados siempre y cuando se haya demostrado por medio de la práctica o ensayos especiales, que produzcan concreto con resistencia y durabilidad adecuada.

* AGREGADO FINO:

Se define como agregado fino a aquel proveniente de la desintegración natural o artificial de las rocas, el cual pasa el Tamiz NTP 9.4 mm (3/8”) y cumple con los límites establecidos en las Normas NTP 400.037 ó ASTM C 33.

* AGREGADO GRUESO:

Se define como agregado grueso al material retenido en el Tamiz NTP 4.15 mm (N°4) y que cumple con los límites establecidos en las Normas NTP (ITINTEC) 400.037 Ó ASTM C 33.

* TAMAÑO MÁXIMO:

Se define como el tamaño del tamiz menor que deja pasar toda la muestra de ensayo.

* TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL:

Es el tamaño del tamiz inmediatamente superior al que retiene más del 15% en el ensayo granulométrico.

* AGUA:

* Concepto General.

El agua presente en la mezcla de concreto reacciona químicamente con el material cementante para lograr:

a. La formación de gel

b. Permitir que el conjunto de la masa adquiera las propiedades que:

- En estado no endurecido faciliten una adecuada manipulación y colocación de la misma; y

- En estado endurecido la conviertan en un producto de las propiedades y características deseadas.

Adicionalmente. El agua empleada no deberá contener sustancias que puedan producir efectos desfavorables sobre el fraguado, la resistencia o durabilidad, apariencia del concreto, o sobre los elementos metálicos embebidos en éste.

* Requisitos de Calidad:

El agua que ha de ser empleada en la preparación del concreto deberá cumplir con los requisitos de la Norma NTP 339.088 y ser, de preferencia, potable. No existen criterios uniformes en cuanto a los límites permisibles para las sales y sustancias presentes en el agua que va a emplearse. A continuación se presenta, en partes por millón, los valores aceptados como máximos para el agua utilizada en el concreto.

Cloruros 300 ppm.

Sulfatos 300 ppm.

Sales de magnesio. 150 ppm.

Sales solubles totales 500 ppm.

PH mayorde7

Sólidos en suspensión 1,500 ppm.

Materia orgánica 10 ppm.

* PROPIEDADES DE LA MEZCLA.

Las características que se desea en una mezcla de concreto estarán en función de la utilidad que presentará en obra. Así si se quiere utilizar en una estructura, se tendrá una resistencia acorde a las solicitaciones y además resistente al intemperismo, es decir que sea estable.

En carreteras con losas de concreto, además de su resistencia al intemperismo y a la flexotracción, deba comportarse adecuadamente frente a la abrasión producida por el tráfico.

Para lograr estas cualidades se debe recurrir a procedimientos adecuados de dosificación y en algunos casos el uso de aditivos.

Existen algunas propiedades que son comunes a todos los concretos y no dependen de la utilidad específica. Estas propiedades se pueden dividir en dos grupos: cuando el concreto está en estado fresco y cuando está endurecido.

* PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO.

* Consistencia o fluidez.

Es la resistencia que opone el concreto a experimentar deformaciones. Depende de la forma, gradación y tamaño máximo del agregado en la mezcla, cantidad de agua de mezclado.

La consistencia se mide mediante el ensayo de revestimiento o “slump” con el “Cono de Abrams” (ASTM C-143), para concretos hechos con agregado grueso cuyo tamaño máximo es menor de 2”.

* Trabajabilidad.

Es la cantidad de trabajo necesaria para compactar al máximo una mezcla de concreto. Depende de la fluidez, la docilidad y el equipo de compactación con que se cuente. Como se puede apreciar, la trabajabilidad es una combinación de muchas variables principalmente la relación agua cemento y el tamaño máximo del agregado.

* Homogeneidad.

Se refiere a que los componentes del concreto se encuentren en la misma proporción en cualquier parte de la masa. Considerando que el concreto es una mezcla cuyos componentes tienen diferente peso específico, estos tenderán a segregarse. La homogeneidad depende del tipo y tiempo de mezclado, del transporte, de la compactación, etc. Para el muestreo del concreto se debe tomar masas que correspondan al tercio central de una tanda de mezcladora.

* PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO.

* Resistencia A la Compresión

La resistencia a la compresión simple del concreto es su propiedad más característica y la que define su calidad. En 1919, Duff Abrams estableció experimentalmente que la resistencia a la compresión es función de la relación agua/cemento (A/C) en forma más significativa que otras variables como la calidad de los agregados, la compacidad, etc. La resistencia aumenta con el tiempo y depende del estado de humedad durante este tiempo y del estado de humedad durante el tiempo de depósito.

VI. ALCANCES.

6.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL DISEÑO.

El concreto es un material heterogéneo el cual está compuesto principalmente por la combinación de cemento, agregado grueso, agregado fino y agua. El concreto contiene un pequeño volumen de aire atrapado y puede contener también aire incorporado mediante la incorporación de un aditivo químico, igualmente se utiliza con frecuencia otros aditivos para propósitos tales como acelerar o retardar el fraguado y el endurecimiento inicial, mejorar la trabajabilidad, reducir los requisitos de agua de mezcla, incrementar la resistencia, etc.

La selección de los agregados y la proporción de cada uno de ellos debe ser siempre un acuerdo razonable entre economía y los requisitos del concreto al estado fresco y endurecido.

6.2. NOTACIÓN.

f’c = resistencia en compresión especificada del concreto utilizada por el ingeniero calculista e indicada en los planos (Kg/cm2)

f’cr = resistencia en compresión promedio requerida utilizada para la selección de las proporciones de nuestros agregados.

6.3. MATERIALES.

* Cemento:

El cemento empleado en la preparación del concreto cumple con los siguientes requisitos: Portland tipo I – Pacasmayo.

Bolsa de cemento con un peso de 42.5 Kg. De peso especifico de 3.11gr/cm3

* Agua:

Agua de la red pública de la U.N.C.

* Agregados:

El agregado de la presente práctica pertenece a la cantera de la …..

6.4. PASOS EN EL DISEÑO.

SECUENCIA DEL DISEÑO.

Los siguientes pasos se consideran fundamentales en el proceso de selección de las proporciones de la mezcla para alcanzar las propiedades deseadas en el concreto.

1. Selección de la resistencia promedio a partir de la resistencia especificada y del grado de control.

2. Selección del tamaño máximo nominal.

3. Selección del asentamiento.

4. Selección del volumen unitario de agua de diseño.

5. Selección del contenido de aire.

6. Selección de la relación agua/cemento por resistencia y durabilidad.

7. Determinación del factor cemento.

8. Determinación del contenido de agregado grueso.

9. Determinación de los volúmenes absolutos de cemento, agua de diseño, aire y agregado grueso.

10. Determinación del volumen absoluto del agregado fino.

11. Determinación del peso seco del agregado fino.

12. Determinación de los valores de diseño del, cemento, agua, aire, agregado fino y agregado grueso.

13. Determinamos los valores en volumen de los aditivos (nanosílice y plastificante).

14. Corrección de los valores de diseño por humedad de los agregados.

15. Determinación de la proporción diseño y de obra.

16. Determinación de los pesos por tanda.

VII. ME TODOLOGÍA.

El método fue la práctica directa en laboratorio, en la cual el primer paso fue seleccionar los materiales a utilizar, determinar sus características, luego realizar el diseño de la mezcla de concreto, posteriormente prepararlo, determinar sus propiedades y evaluar e interpretar los resultados.

VIII. ESPECIFICACIONES DE SERVICIO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

1. ESPECIFICACIONES DE SERVICIO.

a) Resistencia de diseño:

f’c = 700Kg./cm2 a los 28 días.

b) Consistencia: seco.

c) Condiciones de control de obra: bueno.

d) Factor de consistencia (1.2)

2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.

a) Cemento.

* Pórtland Tipo I “Pacasmayo”

* Peso específico = 3.11 gr. /cm3.

b) Agua.

* De la red de agua potable de nuestra ciudad universitaria

c) Agregados : FINO GRUESO

* Pe masa 2.56gr./cm3 2.49 gr./cm3

* w % 3.7 % 1.8 %

* Ab % 1.4 % 0.8 %

* MF 3.16 7.42

* TMN ----- 1”

* Peso unitario compactado 1930Kg / cm3 1640 Kg/ cm3.

* Peso unitario suelto. 1440Kg / cm3. 1530 Kg/ cm3.

IX. DESARROLLO DEL MÉTODO ACI

1. Cálculo de la Resistencia Promedio (f'cr).

f’c =700 Kg./cm2.

F’cr = 700 (1.2) = 840 Kg. /cm2.

∴f’cr = 840 Kg. /cm2

2. Determinación del TMN del Agregado Grueso.

∴TMN = 1”

3. Determinación del Slump. De acuerdo a las especificaciones, las condiciones de colocación requieren que el mezcla tenga una consistencia seca, corresponde a un asentamiento 0”- 2”.

∴Slump: 0” – 2”.consistencia seca

4. Determinación del volumen unitario de agua.

Entrando a la tabla 10.2.1 (ENRIQUE RIVERA LOPES) se determina el volumen unitario de del agua, o agua de diseño, necesario para una mescla de concreto cuyo asentamiento es de 0”- 2”, en una mescla sin aire incorporado cuyo TMN es de 1”, es de 179 lts/m3

5. Contenido de aire. Tabla 11.2.1 (ENRIQUE RIVERA LOPES) se determina que el contenido de aire atrapado para un agregado grueso de tamaño máximo nominal de 1”es de 1.5%.

Contenido de aire: Aire = 1.5%

6. Determinación de la relación A/C.

∴ = 0.40

6. Cálculo del factor cemento (FC).Se determina dividiendo el volumen unitario de agua entre la relación agua – cemento.

FC=Agua de mezcladoAC=1790.40

FC = 447,5 Kg. /m3

∴ FC = 448Kg. /m3 = 10.5 Bolsas/m3

8. Cálculo de la cantidad de Agregado Grueso. (Tabla 16.2.2 (ENRIQUE RIVA LOPEZ) TMN = 1”, modulo de finura 3.16, encontrándose un valor de b/b0 =0.739 m3 de agregado grueso seco compactado por unidad de volumen del concreto.

Vol. A.G = 0.739.

Peso A. G. = 0.739m3*2490kg/m3 =1190.59kg.

∴ Peso A.G. = 1191 Kg

9. Cantidad de Agregado Fino.

Método de Volúmenes Absolutos.

* Cemento = 4483110 = 0.1441 m3

* Agua de mezcla = 1791000 = 0.179 m3

* Aire = 1.5 % = 0.015 m3

* Aditivo plastificante = 0.013m3 (SICAMEN 240N)

* Aditivo nanosílice = 0.043m3 (MEYCO MS 685)

* Agregado grueso = 0.3514 m3

* Agregado fino = 0.254 m3

10. Peso de los Materiales de Diseño:

* -------------------------------------------------

Cemento = 448 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Agua de mezcla = 179 lts./m3

* -------------------------------------------------

Agregado fino = 650 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Agregado grueso = 875 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Aire =1.5%.

11. Corrección del diseño por humedad de los agregados.

Peso húmedo = Peso seco * (1 + w%)

Cemento = 448 kg.

Agregado Fino =650*1.037 = 674 Kg.

Agregado Grueso =875*1.018 =891Kg.

Luego : Ag fino = (3.7 – 1.4)*650 = +14.95lts.

Ag grueso = (1.8-0.8)*875 = +8.75lts.

--------------------

+23.7lts.

Agua Efectiva = 179lts-(+23.7 lts)

Agua Efectiva = 155 lts.

Por lo tanto los el diseño corregido por m3 de concreto es:

* -------------------------------------------------

Cemento = 448 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Agua Efectiva = 155 lts./m3

* -------------------------------------------------

Agregado fino = 674 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Agregado grueso = 891 Kg./m3

* -------------------------------------------------

Aditivo plastificante = 0.013m3

* -------------------------------------------------

Aditivo nanosílice = 0.043m3

12. Proporción de pesos.

La proporción de pesos de los materiales sin corregidos y ya corregidos por humedad del agregado, será.

* Sin corregir448448:650448:875448/17lt/bolsa.

1: 1.45: 1.95 / 17 lts/bolsa

* Corregidos.

448448:674448:878915448/15lt/bolsa

1: 1.5: 1.99 / 15 lts/m3

12. Determinación de Valores Corregidos de los constitutivos del Concreto para 03 Probetas ( = 0.02 m3).

* -------------------------------------------------

Cemento : 448*0.02= 9kg.

* -------------------------------------------------

Agua Efectiva : 155*0.02= 3.1 lts.

* -------------------------------------------------

Agregado fino : 674*0.02= 14 Kg.

* -------------------------------------------------

Agregado grueso: 891*0.02= 18 Kg.

* -------------------------------------------------

Aditivo plastificante = 0.013m3

* -------------------------------------------------

Aditivo nanosílice = 0.043m3

X. PROCEDIMIENTO DE LA ELABORACIÓN DEL CONCRETO.

1. Peso de los materiales.

* Peso del cemento = 9kg.

* Peso del Ag fino = 14kg.

* Peso del Ag grueso =18kg.

* Volumen de agua= 3.16lts

* Aditivo plastificante = 0.013m3

* Aditivo nanosílice = 0.043m3

2. Mesclado de agregado y cemento.

3. Se procede a mezclar con el agua.

4. Observar la apariencia, medir el slump.

Apariencia. slump.

5. Elaboración de las probetas. Las probetas se elaboran en 3 capas y cada capa con 25 golpes.

Enrasado de las probetas.

6. Se pesa las probetas con el concreto fresco, luego se cubre con una bolsa para evitar la exudación y se deja reposar por 24 horas.

7. Se desencofra y se lleva al curado por 7 días.

8. Se sacan las muestras del curado, se deja seca por 24horas y se realiza el ensayo a compresión.

XI. DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO Y DEL CONCRETO ENDURECIDO.

1. PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO

a) Slump.

En teoría el Slump alcanzado deberá estar entre 0” y 2”.

El Slump determinado con la prueba del Cono de Abrams es 10.5 cm o 4”

b) Peso Unitario del concreto fresco.

Teóricamente el peso Unitario del concreto fresco deberá fluctuar entre 2300 Kg. /m3 y 2400 Kg. /m3. Para concretos normales con f´c ≤ 250kg/cm2.

El Peso Unitario del concreto elaborado es como sigue:

Nota: El volumen del molde es 0.0053m3.

PROBETA | Peso Unitario del concreto fresco por Probeta | Peso Unitario por m3 |

1 | 13.65kg | 2575.47 kg/m3 |

2 | 13.88kg | 2618.87 Kg/m3 |

PROMEDIO | 2597.17 Kg./m3 |

2. PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO.

c) Peso unitario del concreto endurecido.

PROBETA | Peso Seco por Probeta. | Peso Seco por m3 |

1 | 13.595 Kg. | 2565.09 Kg. |

2 | 13.795 Kg. | 2602.83 Kg. |

PROMEDIO | 2583.96 Kg./m3 |

d) Esfuerzo de Rotura.

Para determinar estas características presentamos a continuación los datos obtenidos en los ensayos de resistencia a la compresión de cada una de las probetas, así como sus gráficas respectivas:

ENSAYO DE COMPRESION UNIAXIAL

PROBETA Nº01.

Medidas obtenidas del molde utilizada en la elaboración de la probeta.

RESULTADOS DEL ENSAYO A COMPRESIÓN |

Diámetro | = | 15.4 | | cm | |

Área | = | 186.27 | | cm2 | |

Altura | = | 300 | | mm | |

Probeta 1 ensayada

PROBETA Nº02.

Medidas obtenidas del molde utilizada en la elaboración de la probeta.

RESULTADOS DEL ENSAYO A COMPRESIÓN |

Diámetro | = | 15.7 | | cm | |

Área | = | 193.59 | | cm2 | |

Altura | = | 300 | | mm | |

Probeta 2 ensayada

CALCULO DE LA RESISTENCIA A LOS 7 DÍAS DE VIDA (6 DÍAS DE CURADO)

* Resistencia a los 7 días:

* Espécimen 1: 440.22 Kg / cm2

* Espécimen 2: 413.24 Kg / cm2

* Promedio: 426.73 Kg / cm2

* Traducción a los 28 días (interpolando):

f’c 7 70 %

f’c 28 100 %

PROBETA Nº 1

* Carga máxima resistida por el espécimen: 82 Tn.

* Carga para la primera falla: 82 Tn.

* Coeficiente (a los 7 días de curado): 1.429.

* f’c = 1.429* (440.22 Kg / cm2) = 628.9 Kg / cm2

PROBETA Nº 2

* Carga máxima resistida por el espécimen: 80 Tn.

* Carga para la primera falla: 80 Tn.

* Coeficiente (a los 6 días de curado): 1.429

* f’c = 1.429* (413.24 Kg / cm2) = 590.30 Kg / cm2

PROMEDIO DE LAS RESISTENCIAS DE LOS ESPECIMENES ALOS 28 DIAS.

* (628.9 + 590.3) / 2= 609.6 Kg / cm2

XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

* Conclusiones:

* La resistencia promedio de la mezcla de concreto diseñada a los 7días es 426.73 Kg / cm2, lo cual significara una resistencia de 609.6 Kg / cm2 a los 28 días.

* Se concluyo que usando el cemento Tipo I nos da una mejor resistencia que usando el extraforte.

* El slump obtenido 4”estuvo fuera de los límites de concreto seco 0 y 2”.

* No se obtuvo la resistencia deseada de 700 Kg / cm2, debido al aditivo que estaba pasado.

* Recomendaciones:

* Para la determinación del slump se recomienda que se debe pisar bien el cono metálico, para que la mezcla este bien compactada y el slump salda adecuadamente.

* El varilladlo no debe pasar de 25 golpes porque generaría segregación en el concreto fresco.

* Para evitar la exudación deberá cubrirse con una bolsa plástica la superficie de las probetas.

* Los especímenes deben estar bien nivelados en ambos lados del espécimen, caso contrario al llevar a cabo el ensayo de compresión van a fallar por desnivel.

XIII. BIBLIOGRAFÍA USADA.

a. Riva López, Enrique 2000 “NATURALEZA Y MATERIALES

DEL CONCRETO”.Edit. ACI. Perú.

b. Riva López, Enrique 1990 “DISEÑO DE MEZCLAS”

Perú.