conceptos generales agregados

CONCEPTOS GENERALES SOBRE LOS AGREGADOS

LUIS OCTAVIO GONZÁLEZ SALCEDO INGENIERO CIVIL, M. Sc.

PROFESOR ASOCIADO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE PALMIRA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN PALMIRA

ENERO DE 2008

2

CONCEPTOS GENERALES SOBRE LOS AGREGADOS

LUIS OCTAVIO GONZÁLEZ SALCEDO INGENIERO CIVIL, M. Sc.

Módulo para las asignaturas: Estructuras y Materiales de Construcción.

Construcciones Agrícolas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE PALMIRA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN PALMIRA

ENERO DE 2008

3

CONTENIDO Página Presentación 7 Glosario 8 1. Los Agregados 10 1.1. Introducción 10 1.2. Tamaño de los agregados 11 1.3. Evaluación de las propiedades de los agregados 14 1.4. Agregados para concretos compactados con rodillos 19 1.5. Pruebas no destructivas en la evaluación de la calidad del concreto 20 1.6. Caracterización geológica, mineralógica y geoquímica 25 1.7. Áridos reciclados 28 1.8. Normatividad para especificaciones y calidad de los agregados 31 1.9. Bibliografía 33 2. Teoría sobre granulometrías continuas ideales 36 2.1. Principio de gradación de Fuller y Thompson 36 2.2. Teoría de Weymouth 37 2.3. Teoría de Bolomey 38 2.4. Otras teorías de gradación 38 2.5. Bibliografía 42 3. Petrografía de los agregados 43 3.1. Historia de la petrografía 43 3.2. Objetivos de la petrografía 47 3.3. Importancia de la petrografía 52 3.4. Petrografía de los morteros 55 3.5. Petrografía de las rocas 57 3.6. Bibliografía 62 4. Reacción álcali – agregado 63 4.1. Introducción 63 4.2. Mecanismo de la reacción 65 4.3. Evaluación 68 4.4. Bibliografía 69

4

INDICE DE FIGURAS Número Página 1 Apariencia típica de la contextura de la arena. 12 2 Apariencia típica de la contextura de la grava. 12 3 Variación de los contenidos de agua, concreto y aire incluido, en mezclas de

concreto con tamaños máximos de agregados.

13 4 Distribuciones recomendadas y típicas de tamaños de agregados naturales

para mezclas de concreto.

13 5 Tamices y agregados retenidos en cada uno. 15 6 Máquina de Los Ángeles. 16 7 Tamices y balanza. 16 8 Medición de dimensiones en dos sentidos, para agregados gruesos. 16 9 Equipo para el ensayo de friabilidad. 16 10 Aspecto de un árido de procedencia caliza, antes y después de ser sometido

a un sulfato magnésico.

17 11 Límites granulométricos especificados para el proyecto Uruguay – I. 20 12 Datos y curvas de ajustes de velocidad – resistencia concretos preparados

con un agregado calizo triturado con características promedio de Yucatán, estudio realizado por Castellanos, 1985.

21 13 Datos y curvas de ajustes de velocidad – resistencia concretos preparados

con seis agregados de Yucatán, estudio realizado por Solís y Baeza, 2003.

21 14 Datos y curvas de ajustes de velocidad – resistencia concretos preparados

con seis muestras de agregados.

22 15 Datos y curvas de ajuste exponencial para los agregados de alta calidad. 23 16 Concreto con a / c = 0,40. 23 17 Concreto con a / c = 0,50. 24 18 Concreto con a / c = 0,60. 24 19 Concreto con a / c = 0,70. 25 20 Imagen de microscopio óptico para grava de Joyitas. 26 21 Difracción de rayos X, para una arena de Joyitas. 26 22 Difracción de rayos X, para una grava de Joyitas. 27 23 Difracción de rayos X, para una ceniza volcánica. 27 24 Granulometría de áridos naturales y reciclados. 28 25 Contenido de finos. 29 26 Coeficiente de friabilidad. 29 27 Coeficiente de desgaste de Los Ángeles. 29 28 Absorción de agua. 30 29 Coeficiente de forma. 30 30 Distribución de los áridos en función de su tamaño… 39 31 Distribución de los áridos clasificados en tamiz ASTM 40 32 Instrumentos usados en petrografía. 43 33 Equipo para fluorescencia de rayos X. 44 34 Difractómetro de rayos X de cuatro ejes. 45 35 Microsonda electrónica. 45 36 Diamond Window Cell. 45 37 Espectómetro de masas de ión secundario. 46 38 Espectómetro de masas de plasma. 46 39 Espectómetro Ramán de Laser. 46

5

Número Página 40 Estudio mineralógico de una roca ígnea intrusiva 48 41 Evidencia de exudación excesiva 49 42 Apariencia de una pasta bien hidratada (color marrón) y una pasta con

porosidad capilar (color azul) 49

43 Apariencia de un concreto mediante la técnica de microscopía fluorescente 50

44 Apariencia de un concreto con vacíos de agua 50 45 Apariencia de un concreto bien hidratado 51 46 Estructura interna de un concreto para pavimento 51 47 Petrografía con el microscopio petrográfico. 52 48 Grupo de poros de aire a lo largo de la periferia de una partícula de agregado

grueso.

54 49 Microfotografía de sección delgada mostrando concreto dañado por la

reacción expansiva álcalis – agregado (ASR).

54 50 Microfotografía de corte delgado. 55 51 Secciones pulidas de mortero elaborado con agregado reciclado y natural. 56 52 Detalle de una micrografía de un mortero 57 53 Imagen microscópica en falso color con luz polarizada. 58 54 Mineralogía del meteorito de Reliegos … 59 55 Imagen de una inclusión en la alineación metálica … 60 56 61 57 61 58 63 59 Agrietamiento en estructuras debido a la reacción álcali – agregado 67 60 Agrietamiento en estructuras debido a la reacción álcali – agregado 67

6

INDICE DE CUADROS Número Página 1 Ejemplos de agregados empleados en CCR, para proyectos de presas. 20 2 Valores de las constantes a y b, que representan la parte elíptica de la

ecuación Fuller – Thompson.

36 3 Valores de n para la ecuación de Weymouth en función del tamaño. 37 4 Valores de f según la teoría de Bolomey. 38

7

PRESENTACIÓN Los agregados, conformados por las arenas (agregado fino) y las gravas (agregado grueso), constituyen más del 70% en una mezcla para la elaboración del hormigón u concreto, material estructural y de construcción por excelencia. Se conocen también como áridos, expresión utilizada para definir un material que no debe tener reacción química de ningún tipo con el cementante, el agua o con otros aditivos naturales o químicos; sin embargo, el fenómeno de la reacción álcalis – agregado descubierta muchos años atrás, muestra que esta pasividad no es tan evidente. Lo anteriormente descrito, constituyen razones importantes para conocer acerca de los agregados. Este documento, para un estudio inicial de los mismos, de conceptos generales, ha sido divido en cuatro capítulos, basados en una introducción, en las curvas granulométricas, en la petrografía, y en la reacción álcalis – agregado. Se ha preparado para los cursos de Estructuras y Materiales de Construcción, y Construcciones Agrícolas, de la carrera de Ingeniería Agrícola, con el fin de brindar un mejor entendimiento al estudio del concreto, como material estructural y como material de construcción, respectivamente. Estas notas se han preparado, con el material utilizado por el autor en el curso de Tópicos Avanzados: Durabilidad del Concreto, del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales, de la Universidad del Valle, donde se participó con la revisión bibliográfica y exposición de dichos temas. Debo entonces, agradecer a los compañeros del colectivo, por su atenta disposición en la temática, quienes son mencionados a continuación: Ing. Marisol Gordillo, MSc., Físico William Aperador, MSc., Ing. Michel Angelo Ospina, Ing. Susan Andrea Bernal, Ing. Erich David Rodríguez, y a la Coordinadora del Curso, Química Ruby Mejía de Gutiérrez, PhD, quien autorizó la utilización del material empleado, para la elaboración de estas notas. La labor de revisión del documento, fue llevada a cabo por los Ingenieros Jair Mauricio Drada Salazar y Santiago Gaona Jurado, sus correcciones y sugerencias fueron incluidas. Finalmente, y como siempre, el autor agradece a Adelaida, Luis Miguel y Laura Sofía, por permitir usar parte del tiempo que con derecho les pertenece, para la dedicación académica del suscrito. Luis Octavio González Salcedo, Ing. Civil, MSc. Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira.

8

GLOSARIO Canto rodado: “Un canto rodado es un guijarro o fragmento de roca suelta, susceptible de ser transportado por medios naturales como las corrientes de agua o los corrimientos de tierra, el cual adquiere una morfología más o menos redondeada, sub-redondeada u oblonga, sin aristas y con la superficie lisa debida al desgaste sufrido por los procesos erosivos” [Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Canto_rodado, consultada enero 2008]. “También se conoce, en términos geológicos, como un fragmento de roca con un diámetro mayor a 256 mm, es decir más grande que un guijarro” [Tomado de: http://enciclopedia.us.es/index.php/Canto_rodado, consultada enero 2008]. Revenido: “Conocido más comúnmente dentro de la literatura técnica sobre concreto como slump. El slump es un término inglés que puede traducirse literalmente como baja repentina, baja súbita o caída” [Tomado de: http://www.woxikon.es/eng/slump.php, consultada enero 2008], y se refiere al asentamiento de la masa de concreto una vez ha sido realizada el mezclado. “El asentamiento del concreto hace referencia a la diferencia de altura entre una masa de concreto recién mezclada dentro de un molde y la altura de la masa, una vez retirado el molde” [Tomado de: http://www.portaldoconcreto.com.br/?pagina=slump, consultada enero 2008]. Consistencia: “La consistencia está relacionada con las características inherentes del propio concreto y está más relacionada con la movilidad de la masa de concreto y la cohesión entre sus componentes. Uno de los métodos para determinar la consistencia es el ensayo de abatimiento del concreto, también conocido como ensayo de slump” [Tomado de: http://www.portaldoconcreto.com.br/?pagina=slump, consultada enero 2008]. Trabajabilidad: “La trabajabilidad depende de la consistencia del concreto, de las características de la obra y de los métodos adoptados para el transporte y lanzamiento del concreto” [Tomado de: http://www.portaldoconcreto.com.br/?pagina=slump, consultada enero 2008]. Superficie específica: “Se llama superficie específica de un polvo, a la superficie de un gramo de este polvo igual a la suma de de las superficies de individuales de todos los gramos” [Tomado de:

9

http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/supespT2.htm, consultada enero 2008]. En términos generales es la superficie de contacto del agregado y del cemento a la cual se le va a adherir la masa del concreto. Petrografía: “Es la parte de la petrología que trata del estudio de la composición, estructura, y clasificación de las rocas” [Tomado de: http://www.wordreference.com/definicion/petrograf%EDa, consultada enero 2008]. “Las rocas constituyen el material de que se compone la corteza terrestre, sobre la cual se asientan directa o indirectamente los seres vivos, de ahí que su estudio, que es el objeto de la petrografía, tenga una singular importancia para el conocimiento de la Tierra y por las numerosas aplicaciones prácticas que conlleva; la petrografía es la rama de la geología que se ocupa del estudio e investigación de las rocas, en especial en cuanto respecta a su aspecto descriptivo, su composición mineralógica, y su estructura” [Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Petrograf%C3%ADa, consultada enero 2008]. Estudio petrográfico: “Las rocas se componen de diferentes minerales y, según su estado y las condiciones de formación, se clasifican en tres grande grupos (ígneas, sedimentarias, y metamórficas); el estudio de una roca requiere en primer lugar el examen físico de la misma en lo que concierne a aspecto, color, dureza, etc.; y a continuación suele procederse a su análisis microscópico, para lo cual se cortan mediante máquinas especiales de espesor mínimo que permitan su exploración al microscopio. Éste revela la forma de los cristales que componen la roca, la relación entre los distintos minerales, la microestructura y toda una serie de magnitudes evaluables” [Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Petrograf%C3%ADa, consultada enero 2008].

10

1. LOS AGREGADOS

1.1. INTRODUCCIÓN En una mezcla de concreto, el 75% del volumen lo constituyen los agregados; con este término, se agrupan las arenas, gravas naturales y la piedra triturada, con la cual se elaboran también morteros y concretos especiales, como los concretos ligeros, pesados y de alto rendimiento[1]. Bajo la denominación de áridos artificiales, se denominan los subproductos industriales o urbanos que reúnen las condiciones para su utilización en la fabricación de concretos, como[2]:

• Estériles de explotaciones mineras. • Cenizas volantes de centrales térmicas[3]. • Residuos de incineración de residuos urbanos. • Materiales de demolición[4-5]. • Escorias de procesos siderúrgicos o metalúrgicos[3].

Los agregados no solamente son componentes del concreto; una clasificación sobre su uso, permite “hablar” de[2]: agregados para concretos y morteros, agregados para concretos asfálticos, agregados para carreteras, agregados para aplicaciones industriales, agregados ligeros, entre otros. Son características importantes en los agregados, condiciones deseables en la limpieza, sanidad, resistencia y forma de las partículas. A continuación se describen estas condiciones deseables[1, 6]:

• Limpieza: que estén exentos de arcilla, limo, mica, materia orgánica, sales químicas y granos recubiertos.

• Sano físicamente: que sea estable en su forma ante cambios de temperatura y de humedad, además de resistir la acción de la intemperie sin descomponerse.

• Resistencia: se considera adecuada, si tiene la capacidad de desarrollar toda la resistencia propia del aglomerante. Para condiciones de desgaste externo, es requerido un agregado duro y tenaz.

• Forma de las partículas: la docilidad del concreto se ve afectada con la presencia de partículas alargadas y planas, siendo necesario el aumento de arena, cemento y agua.

Los agregados que cumplen con condiciones deseables, se denominan agregados de calidad, y están constituidos, entonces, por partículas durables, limpias, duras,

11

resistentes, y libres de productos químicos absorbidos, recubrimientos de arcilla y otros materiales finos que pueden afectar la hidratación y la adherencia de la pasta de cemento[7]. Se han desarrollado diversos métodos para mejorar la calidad del agregado, cuando existen especificaciones no deseables. Algunos métodos son: lavado, la separación en medio pesado, el clasificador hidráulico, el fraccionamiento elástico, entre otros[1]. Los agregados también son denominados como áridos, y se definen como fragmentos rocosos que proceden de la desintegración de las piedras naturales, y suelen clasificarse de la siguiente manera[6, 8-9]:

• De acuerdo al tamaño del grano: gruesos, como las gravas, si el tamaño del grano es superior a 5 mm; finos, como las arenas, si el tamaño del grano es inferior a 5 mm; cuando se presentan tamaños diversos, las mezclas naturales de gravas y arenas, se denominan zahorras.

• De acuerdo con la procedencia: arenas de río, con granos redondeados; arenas de mina, con granos ásperos, angulosos; arenas de mar, con granos excesivamente pequeños cargados de sales, que requieren lavados antes de su uso.

• De acuerdo a su naturaleza química: según sea la piedra natural de la que proceden, ofreciendo características particulares en cada caso. Por ejemplo, las procedentes de granitos y basaltos, son considerados excelentes; los obtenidos de calizas son de calidad muy variable y resistencia al desgaste baja; los de tipo silíceo, ofrecen gran durabilidad en medios agresivos.

• De acuerdo al sistema de obtención: pueden ser de canto rodado o triturados.

1.2. TAMAÑO DE LOS AGREGADOS Un agregado puede clasificarse si es fino o grueso, a partir del módulo de finura, MF. Valores del MF entre 2.5 a 3.0, son considerados como normales. Este índice es calculado como[1]: MF = ∑ porcentajes acumulativos retenidos / 100 (1) Mientras sea constante la relación agua – cemento (a/c) y el revenido, la variación en la granulometría de la arena, no afectará la resistencia a la compresión de los morteros y concretos. Sin embargo, el contenido de cemento varía inversamente

12

con el módulo de finura de la arena, influenciando la docilidad y calidad del acabado del concreto[1]. Los agregados finos, denominados como arenas (figura 1), se definen como las partículas de agregado menores de 4.75 mm pero mayores de 75 micras, o también como la porción de material que pasa la malla no. 4 y es retenido en la malla no. 200. El agregado grueso es conocido como grava (figura 2), y su tamaño máximo tiene su fundamento en la economía; por lo general se requiere más agua y más cemento para agregados de tamaño pequeño que para tamaños mayores. El tamaño máximo nominal de un agregado, es el menor tamaño de la malla por el cual debe pasar la mayor parte del agregado. El agregado grueso se define como las partículas mayores de 4.75 mm, es decir, el retenido en la malla no. 4[2].

Figura 1. Apariencia típica de la arena [2].

Figura 2. Apariencia típica de la grava [2].

De acuerdo con la US BUREAU RECLAMATION, el tamaño máximo del agregado grueso, condiciona inversamente el contenido de agua y cemento; como se enseña en la figura 3, la cual está basada en una relación a/c de 0.54 y un revenido de 3 pulgadas[1]. La figura 4, presenta curvas típicas de granulometría para arena, grava, arena y agregado combinado, así como los límites recomendados y las distribuciones típicas por tamaños, según la US BUREAU RECLAMATION[1].

13

Figura 3. Variación de los contenidos de agua, conc reto y aire incluido, en mezclas de

concreto con tamaños máximos de agregados [1].

Figura 4. Distribuciones recomendadas y típicas de tamaños de agregados naturales para

mezclas de concreto [1]. Los agregados ligeros son usados para la fabricación de concretos ligeros. Estos agregados pueden producirse a partir de diversos procesos, a saber[1, 6]:

14

• Expansión de minerales por calor: arcilla, esquisto, pizarra, perlita, obsidiana y vermiculita.

• Expansión de escorias de alto horno, usando procesos especiales de enfriamiento.

• Explotación de yacimientos: piedra pómez, escorias, cenizas volcánicas, toba y diatomita.

• Utilización de cenizas industriales. Los agregados gruesos son utilizados para la fabricación de concretos pesados, utilizados en la construcción de reactores nucleares, donde es requerido un gran blindaje y capacidad estructural. Estos agregados pueden ser obtenidos a partir de[1, 6]:

• Productos de hierro: usando municiones de acero como agregado fino y punzonados de acero como agregado grueso.

• Explotación de canteras. • Explotación de yacimientos de minerales: berita, limonita, magnetita.

1.3. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS

El conocimiento de las propiedades de los agregados permite prever el desempeño del concreto al cual será incorporado. Los ensayos que se realizan al agregado grueso son: análisis granulométrico (módulo de finura), peso unitario en volumen del agregado seco y suelto / compactado, densidad relativa del agregado saturado con superficie seca y seco, porcentaje de vacíos del agregado seco y suelto / compacto, material fino mayor del tamiz no. 200, absorción de agua a las 24 horas, materia carbonosa, materia orgánica, terrones de arcilla y partículas friables, determinación de partículas lajosas y elongadas, desgaste en la máquina de los Ángeles, y estabilidad de rocas basálticas por inmersión en etilen – glicol. Para el agregado fino, se realizan los siguientes ensayos: análisis granulométrico (módulo de finura), densidad relativa del agregado saturado con superficie seca y seco, material fino mayor del tamiz no. 200, absorción de agua a las 24 horas, materia carbonosa, materia orgánica, terrones de arcilla y partículas friables, equivalente de arena, y método de ensayo de durabilidad por ataque con sulfato de sodio (figuras 5-9)[2, 6, 10]. Con la presencia de minerales potencialmente reactivos con los álcalis puede producirse, bajo ciertas condiciones de humedad, temperatura y presencia de álcalis, la formación de un gel expansivo, el cual se expande ante la existencia de humedad, provocando fisuras en el concreto y alterando la durabilidad del mismo[10-11]; la reactividad potencial frente a los álcalis del cemento se pueden

15

evaluar a partir de tres ensayos: acelerados de barras de mortero, barras de mortero, prismas de concreto[10-11]. Los agregados, bajo esta condición, pueden también ser evaluados desde los siguientes puntos de vista: reactividad de los agregados frente a un cemento de alto álcalis, influencia de los distintos tipos de cemento sobre la expansión producida por la reacción álcalis – sílice, e influencia de la combinación de agregados[10].

Figura 5. Tamices y agregados retenidos en cada uno [6].

Figura 6. Máquina de Los Ángeles [6].

16

Figura 7. Tamices y balanza [2].

Figura 8. Medición de dimensiones en dos sentidos, para agregados gruesos [2].

Figura 9. Equipo para el ensayo de Friabilidad [2].

17

Se puede hacer un complemento de los ensayos anteriores, mediante el conocimiento de la composición petrográfica y mineralógica; se han reconocido una serie de minerales, con un contenido máximo, que presentan un potencial reactivo frente a los álcalis: el cuarzo tensionado, microfracturado, o microcristalino; el chert y / o calcedonia con trazas de ópalo; la tridimita y / o cristobalita; el ópalo; el vidrio volcánico y las arcillas esmectíticas[10]. En la figura 10, se muestra a manera de ejemplo, el aspecto de un árido calizo antes y después de ser sometido a disoluciones de sulfato magnésico[6].

Figura 10. Aspecto de un árido de procedencia caliz a, antes y después de ser sometido a un

sulfato magnésico [6]. La descripción de una roca que proporciona agregado, debe contener la siguiente información[6]:

• Nombre de la roca. • Color. • Tamaño de grano. • Textura y estructura. • Estado de meteorización. • Resistencia (cualitativa). • Otras características y propiedades.

Por ejemplo, la descripción de la roca de un agregado podrá ser[6]: “BASALTO gris oscuro verdoso, de grano fino, con bandeado de flujo muy fino, ligeramente meteorizado, muy resistente, con disyunción columnar a gran escala”. Existen otras maneras de describir una roca para áridos, algunas metodologías sugieren[6]: por el grado de meteorización; por sus propiedades mecánicas indicando la forma de la partícula y la resistencia al impacto; por la porosidad, humedad de saturación, y peso específico normalizados; y por el empleo de términos locales o tradiciones.

18

En el estudio de las rocas, es útil la aplicación de técnicas de análisis petrográfico, con las cuales, cuyas fases son[12-13]:

• Inspección y ensayo de estructuras in situ: una vez se realice la localización de las áreas de la estructura a ser muestreada para el estudio petrográfico, una inspección visual debe establecer la naturaleza del problema, y sugerir un número de causas posibles y descartar otras. A partir de esta evaluación inicial, se seleccionan otros métodos para el estudio de las muestras.

• Inspección inicial: donde se realiza inspección visual, uso de lupa y estereomicroscopio binocular. Permite observar rasgos inusuales y proporcionar una descripción general de las características de las muestras, núcleos, y bloques pulidos.

• Microscopía petrográfica convencional: El microscopio petrográfico convencional está diseñado para analizar secciones delgadas y pulidas de concreto de menos de 0.025 mm de espesor. Esta metodología permite el análisis de las características de los agregados.

La evaluación petrográfica de los agregados del concreto, consiste entonces en un examen y análisis visual en términos de su litología y propiedades de las partículas individuales; su procedimiento incluye como se ha mencionado, el uso de lupas, y microscopios petrográficos y estereoscópico, complementados con técnicas avanzadas de caracterización como difracción de rayos x, análisis térmico diferencial y / o microscopía electrónica de barrido. La evaluación petrográfica abarca los siguientes resultados: abundancia relativa de tipos específicos de rocas y minerales; cualidades físicas y químicas, como la forma de las partículas, textura superficial, características de los poros, dureza, y reactividad química potencial; identificación de recubrimientos; y presencia de sustancias contaminantes[14]. La evaluación petrográfica se ha convertido en una herramienta de evaluación usada en varias líneas en el campo de los agregados, a saber: investigación, selección, ensayos, y control de calidad. Ha sido aplicada desde 1936 por el BUREAU OF RECLAMATION, US DEPARTMENT OF THE INTERIOR[15-16]; desde 1940 por el CUERPO DE INGENIEROS DE LOS ESTADOS UNIDOS[17]; por los laboratorios del Ministerio de Transporte de Ontario[18]; y por otras agencias federales de los Estados Unidos relacionadas con la construcción y el transporte; desde 1954 ha sido adoptada como norma por la ASTM[19]. Mielinz[19], reporta que la evaluación petrográfica debe ser incluida en la investigación y ensayos de agregados para concreto, que serán usados en la construcción y en la fabricación de productos de concreto, y elementos estructurales prefabricados; aplicada en el campo, el método ayuda en la exploración y muestreo y permite la evaluación preliminar de materiales de diferentes orígenes. El examen detallado de los agregados en el laboratorio

19

complementan las pruebas estándares, especialmente para detectar propiedades adversas, comparar el agregado con agregados ya reportados, explicar resultados de ensayos y justificarlos, detectar contaminantes, y determinar la eficiencia y merito relativo de métodos de procesamiento y manufacturación de producción de agregados. La evaluación petrográfica puede ser aplicada para arenas, grava, piedra triturada, agregados livianos naturales y sintéticos, y áridos reciclados[19].

1.4. AGREGADOS PARA CONCRETOS COMPACTADOS CON RODILLOS

En la fabricación de concreto compactado con rodillo (HCR o CCR), los agregados a utilizar, además de cumplir con los requisitos habituales para un concreto convencional, es necesario asegurar que la combinación ligante – agregado no conduzca a expansiones deletéreas, y es importante que la resistencia mecánica de los agregados gruesos, sea lo suficiente para soportar las presiones de compactación[20]. La granulometría para este tipo de agregado se caracteriza por[20]:

• Un tamaño máximo ideal está por el orden de 80 mm, sin embargo se reportan casos donde se ha utilizado por encima de 150 mm y menores de 40 mm.

• Hay una diferencia en las curvas granulométricas de áridos para concretos convencionales, especialmente en la fracción fina, recomendándose el empleo de material fino menor de 0.075 mm entre el 4 y 10%. Se muestra como ejemplo, en la figura 11, los límites especificados para el Proyecto Uruguay-I.

• En la mayoría de los proyectos de construcción de presas en HCR, se ha dividido el agregado de 3 a 5 fracciones según su tamaño máximo, lo que permite recombinarlos y obtener una granulometría total deseable para cada proyecto específico (cuadro 1).

• Se ha desarrollado software para realizar el proporcionamiento en forma inmediata, no sólo para el diseño de mezclas, sino también para compensar posibles desviaciones en la granulometría de las fracciones acopiadas durante la producción del concreto[21].

Para CCR de pavimentos, se deben utilizar agregados obtenidos por trituración mecánica para prevenir la segregación y lograr una mayor capacidad de soporte, con el fin de darle uso al pavimento una vez se ha terminado la compactación; la granulometría debe ser densa, continua y estable, recomendándose tamaños finos entre20 mm, ¾ pulgada, y 38 mm, 1 ½ pulgada [22].

20

Figura 11. Límites granulométricos especificados pa ra el Proyecto Uruguay-I [20].

Cuadro 1. Ejemplos de agregados empleados en CCR, p ara proyectos de presas [20].

Proyecto de

presa

Diámetro máximo

(mm)

Número de

Fracciones

Fracciones granulométricas

(mm) Okinawa (Japón) 80 4 0-5, 5-20, 20-40, 40-80 Shin – Nakano (Japón) 80 4 0-5, 5-20, 20-40, 40-80 Shin – Nakano (Japón) 150 5 0-5, 5-20, 20-40, 40-80, 80-150 Castiblanco (España) 50 4 0-5, 5-12.5, 12.5-25, 25-50 Morales (España) 80 4 0-5, 5-20, 20-40, 40-80 Morales (España) 40 3 0-5, 5-20, 20-40 Erizana (España) 100 4 0-6, 6-20, 20-50, 50-100 Monkville (USA) 76 2 0-25, 25-76 Willow Creek (USA) 76 3 0-20, 20-38, 38-76 Upper Stillwater (USA) 40 3 0-4, 3/16- ¾, ¾-1 ½ Saco (Brasil) 76 2 0-30, 30-70

1.5. PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS EN LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL CONCRETO

Una de las pruebas no destructivas para evaluar la calidad del concreto, es la medición de la velocidad del pulso ultrasónico, la cual fue desarrollada en Canadá por Leslie y Cheesman, alrededor de 50 años atrás[23]. Se han desarrollado diversos estudios para identificar variables adicionales a la velocidad que expliquen la varianza independiente en la resistencia, entre ellas la fuente de

21

origen de los agregados y la relación entre la grava y la arena. Se pueden citar los estudios realizados por Castellanos, 1985, en cuyo trabajo exploratorio se estudió la correlación entre la velocidad y la resistencia utilizando concretos preparados con un agregado de propiedades físicas promedio del área de Yucatán, obteniendo un coeficiente de correlación r = 0.94, y donde se mantuvieron constantes las propiedades elásticas de los agregados[24] (figura 12); Solís y Baeza, 2003, quienes obtuvieron una curva de regresión exponencial con r = 0.82 para concretos preparados con seis diferentes muestras de agregados calizos triturados (figura 13), observándose una alta dispersión entre los datos experimentales, sin embargo, la variación de las propiedades elásticas de los agregados, permitió concluir que la variación de los agregados introdujo una varianza en la resistencia que la velocidad por si misma no puede explicar[25].

Figura 12. Datos y curva de ajuste velocidad – resi stencia para concretos preparados con un

agregado calizo triturado con características prome dio de Yucatán, estudio realizado por Castellanos, 1985 [24].

Figura 13. Datos y curva de ajuste de velocidad – r esistencia para concretos preparados con

seis agregados de Yucatán, estudio realizado por So lís y Baeza, 2003 [25].

22

Un reporte reciente de Solís et al., 2004, usando agregados del área de Mérida, concluyó que para modelos de predicción de la resistencia del concreto con base en la velocidad del pulso ultrasónico, la relación a / c fue la principal fuente de varianza, tanto en la velocidad como en la resistencia, y por lo tanto a ella se puede atribuir la correlación entre estas variables; y una de las principales fuentes de dispersión en esta correlación es el índice de calidad de los agregados, variable que fue definida con base en la principales propiedades de los agregados mismos [figuras 14-19)[26]. La expresión (2), muestra el modelo final de predicción, donde R es la resistencia, V es la velocidad, IC es el índice de calidad de los agregados, y A es la cantidad de agua de la mezcla[26]: R = 0.25 V – 33, 058 IC + 1,795 A – 904.35 (2) El índice de calidad, se calculó a partir de la normalización de los valores de las siguientes propiedades: velocidad, densidad de la grava, densidad de la arena, porcentaje de finos que pasa la malla 200 en la arena, peso volumétrico seco compacto de la grava, absorción de la grava, porcentaje de desgaste de la grava, absorción de la arena, y peso volumétrico seco suelto de la arena. El índice corresponde al valor promedio de las propiedades normalizadas[26].

Figura 14. Datos y curva de ajuste de velocidad – r esistencia para los concretos preparados

con seis muestras de agregados [26].

23

Figura 15. Datos y curva de ajuste exponencial para los agregados de alta calidad [26].

Figura 16. Concretos con a / c = 0.40 [26]

24

Figura 17. Concretos con a / c = 0.50 [26].


25


1.6. CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA, MINERALÓGICA Y GEOQUÍMICA

Es de importancia también el estudio de las propiedades físicas y químicas de los agregados pétreos y su relación con las propiedades mecánicas de los concretos hidráulicos; esta propiedades son determinadas a partir de la caracterización geológica, mineralógica y geoquímica, usando técnicas como la microscopía óptica, difracción de rayos x, fluorescencia de rayos x, y microscopía electrónica de barrido[27]. A continuación se describen los alcances de cada técnica, cuando son empleadas en la caracterización de agregados[27]:

• La microscopía óptica permite identificar rápidamente la mayoría de las especies minerales que contienen las rocas, mostrando porosidad, grietas, y la distribución de los materiales. Presenta limitaciones cuando el material es de grano grueso, cuando hay minerales poco comunes y requieren identificación con otras técnicas, y cuando hay bajos porcentajes de minerales accesorios de importancia. La figura 20, muestra una imagen de microscopio óptico para una grava de Joyitas, donde se aprecia una exfoliación perfecta en una dirección y el color blanco con gris característico de los feldespastos.

• La fluorescencia de rayos x es la técnica empleada para determinar los elementos componentes de una muestra a través de un análisis cuantitativo de sus elementos. La muestra es bombardeada con electrones mediante un

26

haz electrónico de alta energía, apareciendo radiación de rayos x secundarios cuyo espectro es característico para cada elemento.

• Mediante el análisis por difracción de rayos x se estudia la constitución estructural y la composición elemental y de fase de las sustancias naturales allí presentes. Las figuras 21-23, muestran las difracciones de rayos x, para una arena de Joyitas, una grava de Joyitas, y una ceniza volcánica, respectivamente.

• La utilización de la microscopía electrónica de barrido, permite estudiar las particularidades superfinas de morfología de partículas pequeñas de minerales, las superficies de las caras, interfase y fracturas, la variación en las propiedades de diferentes muestras, así como la estructura interna de los materiales. También se puede estudiar las estructura de los minerales finamente dispersos, criptocristalinos y amorfos.

Figura 20. Imagen de microscopio óptico para grava de Joyitas [27].

Figura 21. Difracción de rayos x, para una arena de Joyitas [27].

27

Figura 22. Difracción de rayos x, para una grava de Joyitas [27].

Figura 23. Difracción de rayos x, para una ceniza v olcánica [27].

28

1.7. ARIDOS RECICLADOS La producción de concreto también puede realizarse mediante el empleo de áridos reciclados[4-5]. Algunos estudios han realizado procesos de reciclado en planta y en laboratorio[4-5], y han realizado comparaciones en el uso de éstos y de naturales de diferentes procedencias. Conclusiones sobre la comparación de áridos reciclados y naturales, son descritas a continuación[4]:

• Se presentan curvas granulométricas similares (figura 24). • Los áridos reciclados en planta presentan un menor contenido de finos con

respecto al de laboratorio, debido al proceso industrial y lavado previo al cual es sometido (figura 25). Los áridos reciclados en general presentan mayor contenido de finos ya que estos se generan durante su manipulación, además de la aportación del mortero adherido procedente de las pastas en concretos reciclados. Este mortero también incide en el coeficiente de friabilidad, como se muestra en la figura 26. Sin embargo, en el ensayo de determinación de partículas blandas, este mortero rayado por el cuzín del esclerómetro, clasifica dichas partículas como blandas, no determinándose la dureza real del árido reciclado.

• El coeficiente de desgaste de los Ángeles de áridos reciclados es mayor que el de los naturales, debido a que en el ensayo se elimina el mortero adherido al árido (figura 27).

• La pasta de mortero adherida al árido reciclado, incide en la presencia de mayores valores de absorción de agua, como es mostrado en la figura 28.

• El coeficiente de forma es similar para los diferentes tipos de áridos (figura 29).

Figura 24. Granulometría de áridos naturales y reci clados comparados [4]

29

Figura 25. Contenido de finos [4].

Figura 26. Coeficiente de friabilidad [4].

Figura 27. Coeficiente de desgaste de los Ángeles [4].

30

Figura 28. Absorción de agua [4].

Figura 29. Coeficiente de forma [4].

Los áridos reciclados, deben cumplir con propiedades para su óptimo uso en el concreto; estas propiedades son: granulometría, resistencia estática, coeficiente de forma, resistencia a la abrasión, contenido de cloruros, contenido de hierro y vanadio, inestabilidad potencial debida a calcio y hierro, contenido de arcilla expansiva, y resistencia a las heladas[5]. La presencia de contaminantes en los áridos reciclados debe evaluarse para controlar los efectos sobre el nuevo concreto, considerando que pueden llegar a disminuir, incluso para los valores admitidos, hasta un 15% de la resistencia de

31

diseño del concreto; la presencia de yeso provoca fenómenos expansivos; la presencia de cloruros requiere de un lavado cuando supera los límites establecidos; concentraciones menores del 10% en vidrio, mampostería de ladrillo y cerámica, tienen influencia significativa[5].

1.8. NORMATIVIDAD PARA ESPECIFICACIONES Y CALIDAD DEL AGREGADO

A continuación se enuncian los ensayos que normalmente se efectúan a los agregados para poder especificar y analizar sus características, basándose en normas mínimas[9-10, 28].

1.8.1. Ensayos frecuentemente especificados

• INCONTEC 77: Granulometría o tamizado de materiales granulados.

• INCONTEC 78: Determinación del porcentaje de material que pasa el tamiz # 200 (INCONTEC 74) por el método del lavado.

• INCONTEC 176: Determinación de la densidad y absorción de agregados gruesos.

• INCONTEC 237: Determinación de la densidad y absorción de agregados finos.

• INCONTEC 1776: Determinación de la humedad de los agregados. • INCONTEC 92: Determinación de la masa unitaria de los

agregados. • INCONTEC 93-98: Determinación de la resistencia al desgaste de

agregados en la máquina de Los Ángeles. • INCONTEC 183: Dureza – Ensayo de rayado. • INCONTEC 175: Determinación de la reactividad potencial de los

agregados. • INCONTEC 177: Determinación del porcentaje de grumos de

arcilla en agregados. • INCONTEC 127-579: Determinación del contenido aproximado de

materia orgánica en arenas. • INCONTEC 130: Método para determinar la cantidad de partículas livianas

en los agregados. • INCONTEC 589: Determinación del porcentaje de terrones de arcilla y

partículas deleznables. • INCONTEC 126: Determinación de la sanidad de los agregados, para

ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio.

32

1.8.2. Ensayos particularmente especificados

• ASTM C-295: Observación visual y análisis petrográfico. • CRD C-119: Determinación de relaciones dimensionales por

medio de calibradores (forma de las partículas). • ASTM C-127, C-128: Determinación de la porosidad a partir de los

pesos específicos real y aparente de las partículas. • ASTM D-3: Determinación de la tenacidad a partir de

cilindros de roca. • CRD C-124: Calor específico, método de mezclas.

1.8.3. Ensayos del Instituto Argentino de Normaliza ción

• IRAM 1512: Agregado fino natural para hormigon de cemento portland. • IRAM 1627: Granulometria de los agregados para hormigones. • IRAM 1637: Determinación de la reactividad alcalina potencial usando el

método de la barra de mortero. • IRAM 1648: Método de ensayo de inhibidores minerales. • IRAM 1649: Examen petrografico de agregados para hormigones. • IRAM 1671: Cemento Pórtland resistente a la reacción álcalis-agregado. • IRAM 1674: Determinación de la reactividad alcalina potencial en

agregados usando el método acelerado de la barra de mortero. • IRAM 1700: Determinación del cambio de longitud en prismas de

hormigón, debido a la reacción álcalis-agregado.

1.8.4. Ensayos Normalizados para la Unión Europea

• UNE-EN 933-1: Determinación de la granulometría de las partículas usando el método del tamizado.

• UNE-EN 933-3: Determinación de la forma de las partículas, usando el índice de Lajas.

• UNE-EN 933-4: Determinación de la forma de las partículas, usando el coeficiente de forma.

• UNE-EN 933-5: Determinación de porcentaje de caras de fractura de las partículas de áridos grueso.

• UNE-EN 933-6: Evaluación de las características superficiales, usando el coeficiente del flujo de los áridos.

• UNE-EN 933-8: Evaluación de finos, usando el ensayo del equivalente de arena.

• UNE-EN 933-9: Evaluación de los finos, usando el ensayo de azul de metileno.

33

• UNE-EN 933-10: Evaluación de los finos, usando la granulometría de los fillers.

• UNE-EN 1097-1: Determinación de la resistencia al desgaste, usando Micro – Deval.

• UNE-EN 1097-2: Determinación de la resistencia a la fragmentación, usando el ensayo de Los Ángeles.

• UNE-EN 1097-3: Determinación de la densidad aparente y la porosidad. • UNE-EN 1097-4: Determinación de la porosidad del filler seco

compactado. • UNE-EN 1097-5: Determinación del contenido de humedad por secado

en estufa. • UNE-EN 1097-6: Determinación de la densidad de partículas y la

absorción de agua, usando el picnómetro. • UNE-EN 1097-8: Determinación del coeficiente de pulimento acelerado. • UNE-EN 1097-9: Determinación de la resistencia al desgaste por

abrasión por neumático claveteado, usando el ensayo nórdico. • UNE-EN 1367-1: Determinación de la resistencia a ciclos de hielo y

deshielo. • UNE-EN 1367-2: Ensayo de sulfato de magnesio. • UNE-EN 1367-3: Ensayo de ebullición para los basaltos. • UNE-EN 1367-4: Determinación de la retracción por secado. • UNE-EN 1367-5: Determinación de la resistencia al choque térmico. • UNE-EN 1744-1: Determinación de propiedades químicas de los áridos.

1.9. BIBLIOGRAFÍA [1]JONES, R.C.; “Materiales de Construcción”. Sección 5. pp5.1-5.51, En: “Manual del Ingeniero Civil”, MERRIT, F.S., (Editor). McGraw-Hill. México, 1984, 3 volúmenes. [2]PARRA Y ALFARO, J.L.; “Materiales utilizados como áridos”. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, 18 de marzo de 2003. Presentación en Power Point. [3]SALAZAR J., A.; “Panorama del uso de las puzolanas en Colombia”. En: Reunión del Concreto 1994. Asocreto. Memorias Técnicas, Tomo 4: Materiales y patología. [4]ASTUDILLO M., B.; PARRA Y ALFARO, J.L.; “Análisis de los componentes en hormigones preparados con áridos reciclados”. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, 2006, 14p. [5]DE LUXÁN, M.P.; DORREGO, F.; “Perspectivas e investigaciones de áridos reciclados procedentes de residuos de construcción y demolición (I)”. En: Materiales, pp41-46. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja.

34

[6]CALVO P., B.; “Introducción al curso Tecnología de áridos”. Cátedra ANEFA de Tecnología de áridos. Escuela Politécnica de Madrid. Madrid, 2005 – 2006. Presentación en Power Point. [7]UNAM; “Manual de tecnología del concreto”. Limusa. México, 1994. [8] ”Los áridos (I)”. En: Edificación, año III, no. 27, Diciembre de 2003, pp3. [9]ITG-ITCL; “Guía metodológica para el aseguramiento de la medida, sector construcción (producción de áridos)”. Instituto Tecnológico de Galicia. Instituto Tecnológico de Castilla y León. 87p. [10]RUIZ, A.P.; FAVA, C.; “Estudio de fuentes de agregados de la República de Argentina. Centro Técnico Loma Negra. 5p. [11]ADAMS, N.; STONES, D.B.; “Tecnología del litio como solución a la reacción álcali – sílice (ASR)”. En: Revista Noticreto, no. 66, Enero – Abril, 2003, pp46-50. [12]St. JOHN, D.A.; POOLE, A.B.; SIENS, I.; “Concrete Petrography: A Handbook of Investigative Techniques”. Edward Arnold. London, 1998. [13]GIRALDO, J.J.; PÉREZ, R.V.; “Petrografía: ciencia aplicada al estudio del concreto y sus materias primas”. En: Revista Noticreto, no. 61, Diciembre, 2001, pp40-46. [14]SARKAR, S.L.; AITCIN, P.C.; “The Importance of Petrological, Petrographical, and Mineralogical Characteristics of Aggregates in Very High-Strength Concrete”. Petrography Applied to Concrete and Concrete Aggregates, ASTM STP 1061; ERLIN, B.; STARK, D.; (Editors), American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990, pp129-144. [15]MIELENZ, R.C.; WITTE, L.P.; “Tests Used by the Bureau of Reclamation for Identifying Reactive Concrete Aggregates”. Proceedings, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, Vol. 48, 1948, pp 1071-1103. [16]DEPUY, G.W.; “Petrographic Investigations of Concrete and Concrete Aggregates at the Bureau Reclamation”. Petrography Applied to Concrete Aggregates, ASTM STP 1061, ERLIN, B.; STARK, D.; (Editors), American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990, pp32-46. [17]MATHER, K.; MATHER, B.; “Method of Petrographic Examination of Aggregates for Concrete”. Proceedings, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, Vol. 50, 1950, pp1288-1312. [18]ROBERTS, C.A.; “Petrographic Examination of Aggregate and Concrete in Ontario”. Petrography Applied to Concrete and Concrete Aggregates, ASTM STP 1061, ERLIN, B.; STARK, D.; (Editors), American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990, pp5-31. [19]MIELENZ, R.C.; “Petrographic Evaluation of Concrete Aggregates”. Chapter 31, pp341-364. [20]TORRENT, R.J.; “Tecnología del hormigón compactado a rodillo para presas”. En: Reunión del Concreto 1994. Asocreto. Memorias Técnicas, Tomo 4: Materiales y patología. [21]TORRENT, R.J.; ALVAREDO, A.; POYARD, E.; “Combined aggregates: a computer-based method to fit a desired grading”. In: Material and Structures. Vol. 13, nr. 98, 1984, pp139-144.

35

[22]DE LA ROSA, S.J.; “Pavimentos de concreto compactado con rodillos – CCR”. En: Revista Noticreto, no. 19, marzo de 1980, pp23-25. [23]MALHOTRA, V.M.; CARINO. N.J.; “Handbook on nondestructive testing of concrete”. CRC Press. Boca Raton, 1991. [24]CASTELLANOS, G.; “Aplicaciones del método de velocidad de pulso ultrasónico correlacionado con la resistencia a la compresión para la evaluación de la calidad del concreto hidráulico”. Tesis (Maestro en Ciencias). Universidad Autónoma de Yucatán, 1985. [25]SOLÍS C., R.G.; BAEZA, J.; “Influencia de las propiedades físicas de los agregados en la técnica de pulso ultrasónico para predecir la resistencia a la compresión del concreto”. En: Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería. Vol. 26, no. 1, pp44-55. [26]SOLÍS C., R.G.; MORENO, E.I.; CASTILLO P., W.R. ; “Predicción de la resistencia del concreto con base en la velocidad de pulso ultrasónico y un índice de calidad de los agregados”. En: Ingeniería Revista Académica, mayo – agosto, Vol. 8, no. 2, 2004, pp41-52. [27]MARTÍNEZ, W.; CHÁVEZ, H.L.; OSTROUMOV, M.; VELA SCO, F.; RUBIO, C.; VALENCIA, L.E.; ALONSO, E.; MARTÍNEZ, L.; CASTA ÑO V.; “Incremento de trabajabilidad de concreto hidráulico adicionando cenizas volcánicas en sustitución a los finos”. 12p. PDF. [28]SÁNCHEZ DG., D.; “Tecnología del concreto y del mortero”. Biblioteca de la Construcción. Bhandar Editores Ltda. Santafé de Bogotá, 1993, pp65-108.

36

2. TEORÍAS SOBRE GRANULOMETRÍAS CONTÍNUAS IDEALES 1

Se han realizado diversas investigaciones para la obtención de una buena granulometría de agregados para concreto, las cuales en su mayoría se basan en la capacidad de acomodamiento y compactación de las partículas dentro de un volumen dado para lograr una máxima densidad y una máxima resistencia, que se define como compacidad.

2.1. PRINCIPIO DE GRADACIÓN DE FULLER Y THOMPSON En 1907, Fuller y Thompson, publicaron en Estados Unidos el documento “The Laws of Proportioning Concrete”, el cual se constituyó en el punto de partida de todos los desarrollos teóricos de curvas de granulometría; éste se basa en un comportamiento elíptico en su fracción fina, de la curva de gradación ideal de toda la masa, incluyendo el aglomerante, y que converge en una línea recta tangente a la elipse. La ecuación general para la parte elíptica de la curva, está dada por: (y – b)2 / b2 + (x – a)2 / a2 = 1 (3) donde, y es el porcentaje de material que pasa el tamiz de abertura x; a y b son constantes que representan los ejes de la elipse y su valor depende del tamaño máximo (D) del agregado y de la forma de las partículas. Las constantes se caracterizan de tal manera que al ser más angulosas las partículas, más amplio es el porcentaje de material fino representado por la parte elíptica. En el cuadro 2, se muestran los valores de las constantes a y b.

Cuadro 2. Valores de las constantes a y b, que repr esentan la parte elíptica de la ecuación Fuller – Thompson.

Clase de material a b Agregados de canto rodado 0.164 D 28.6 Arena natural y grava triturada 0.150 D 30.4 Arena y grava trituradas 0.147 D 30.8

En la curva ideal de Fuller – Thompson, se encuentra un valor de x = 0.074 mm para un valor de y del 7%, es decir, que el 7% de la masa está constituido por partículas de diámetro inferior a 0.074 mm, o pasa tamiz 200 más el cemento; para algunos autores, la obtención de la curva para solo el agregado, se obtiene al restarse la porción de cemento en cada caso y tomar el resto como 100%. Esto

1 Este capítulo está basado en la referencia [1], con incorporaciones bibliográficas en la sección 4.

37

genera una curva de tendencia parabólica, la cual se denomina parábola de Fuller – Thompson y se expresa como: P = 100 √(d/D) = 100 [d/D]½ (4) En donde, P es el porcentaje de material que pasa por el tamiz de abertura d; y D es el tamaño máximo del agregado. Se ha observado que los agregados gradados a través de la ecuación (4) dan lugar a mezclas ásperas y poco manejables en estado plástico debido a la falta de finos, especialmente para concretos con bajo contenido de cemento.

2.2. TEORÍA DE WEYMOUTH C.A.G. Weymouth publicó en 1933 la obra “Effect of particle inference in mortars concrete”, en la cual además de exponerse sobre las mezclas de concreto, se muestra el efecto de la partícula de interferencia en los requerimientos de agua y trabajabilidad, así como la tendencia de los diferentes tamaños de las partículas a segregarse. Después de numerosas investigaciones, Weymouth concluyó que para obtener una adecuada trabajabilidad con una máxima economía, los granos de un solo tamaño deben tener espacio suficiente para moverse dentro del espacio dejado por los granos del tamaño subsiguiente mayor, evitando de esta manera la interferencia de las partículas. Esta ley de gradación, se expresa como: P = 100 [d/D]n (5) En donde, P es el porcentaje que pasa por el tamiz d; D es el tamaño máximo del agregado; y n es un exponente que gobierna la distribución de las partículas y es función del agregado grueso. De acuerdo con García, 1968 (Citado por Sánchez, 1993), los valores de n, son función del tamaño, como se muestra en el cuadro 3.

Cuadro 3. Valores de n para la ecuación de Weymouth en función del tamaño. Tamaño d n

3” 0.230 1 ½ “ 0.268 ¾ “ 0.292 ⅜ “ 0.304

No. 4 – No. 100 0.350

38

2.3. TEORÍA DE BOLOMEY Bolomey en 1947, realizó una modificación a la teoría de Fuller – Thompson, lo que conllevó a la obtención de una gradación con mayor contenido de finos dentro de la masa del agregado, pero sin exceso, con el objeto de eliminar la aspereza y mejorar la manejabilidad de la mezcla de concreto en estado plástico. La expresión que gobierna esta teoría es: P = f + (100 – f) x (d/D)½ (6) Donde f es una constante empírica que indica el grado de trabajabilidad de una mezcla de concreto para una consistencia y una forma determinada de las partículas, los cuales se muestran en el cuadro 4.

Cuadro 4. Valores de f según la teoría de Bolomey. Forma de las partículas Consistencia del concreto en estado plástico

del agregado Seca (tierra húmeda) Normal (plástico) Húmeda (fuida) Redonda 6 – 8 10 12 Cúbica 8 – 10 12 – 14 14 – 16

2.4. OTRAS TEORÍAS DE GRADACIÓN En 1929, los investigadores Andreasen y Anderson demostraron que cuando los tamaños de agregados descienden a cero, el contenido de vacíos presentes depende solamente del valor del exponente de la familia parabólica, la cual es independiente del tamaño máximo D; entre mas pequeño sea el valor del exponente, más pequeño es el contenido de vacíos. Por otra parte, si el exponente tiende a infinito, entonces el agregado tiende a un tamaño único, creciendo de esta forma el contenido de vacíos. Sin embargo, en la práctica esto no es necesariamente cierto, debido a la inhabilidad que presentan las partículas más pequeñas para formar una masa densa. De acuerdo con Sanguino, 1973 (citado por Sánchez, 1993) y Sánchez, 1993, las curvas de cribado determinadas experimentalmente para densidades de empaquetamiento (masas unitarias) de agregados de composición granulométrica bien definida, tanto de material en estado suelto como compactado, responden a la expresión (5), en la que el exponente n, tomó valores de 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, y 1.0, para arena y grava de canto rodado trituradas. Sánchez, 1993, sugiere como curva ideal de gradación, en lugar de eliminar las asperezas, mejorar la manejabilidad y obtener más altas resistencias en una mezcla de concreto, la expresión: P = 100 [d/D]0.45 (7)

39

En las figura 30 y 31, se muestran curvas granulométricas de diferentes áridos de una investigación2, incluyendo la correspondiente al diseño del hormigón comparada con la curva de distribución granulométrica de Fuller. En la figura 30, se han graficado las distribuciones de los áridos en escala logarítmica y en la 31, se han graficado sin escala y mostrando en ambos ejes de abscisas la abertura del tamiz y su correspondiente denominación para la clasificación ASTM. En ambas figuras se han graficado los valores en orden inverso, es decir, de mayor a menor tamaño.

Figura 30. Distribución de los áridos en función de su tamaño [mm], en escala logratímica [2].

2 Documento en PDF, sin datos para catalogarlo dentro de la bibliografía.

40

Figura 31. Distribución de los áridos clasificados en tamiz ASTM [2].

Gailius y Žukauskas, 2006, proponen un método matemático para diseñar la gradación de los agregados del concreto; el cual podría proveer una posibilidad para obtener un diseño más preciso de la composición de los agregados, y el cual está basado en la limitación por las curvas de las cantidades máximas y mínimas de la parte mineral de la mezcla de concreto que puede pasar a través de tamices específicos[2]. El modelo matemático propuesto es:

(8)

41

donde, aij es la cantidad de material mineral j en porcentaje que pasa a través del tamiz i, bmin, i, bmax, i, son las cantidades limitadas que pasan por el tamiz i, n es el número de tamices, dvj es el coeficiente de la desigualdad adicional v correspondiente al material mineral j, hv es el valor límite de la desigualdad adicional, s es el número de desigualdades, m es el número de componentes, cj es el multiplicador ponderado del componente j, xj es la cantidad del componente j en partes de la unidad. La composición del agregado que es el resultado de la solución de (8) puede ser comparada con una composición de agregado ideal usando un coeficiente de correlación, calculado como[2]:

(9) donde,

(10)

(11) El intervalo entre las curvas límites pueden ser acercadas desde diferentes vías, recomendándose la siguiente ecuación[2]:

(12) donde bmin, i, bmax, i, son los límites del porcentaje de componentes (fracciones) de un agregado particular.

42

2.5. BIBLIOGRAFÍA [1]SÁNCHEZ DG., D.; “Tecnología del concreto y del mortero”. Biblioteca de la Construcción. Bhandar Editores Ltda. Santafé de Bogotá, 1993, 349p. [2]GAILIUS, A.; ŽUKAUSKAS, D.; “Optimization of the Aggregates Composition in Concrete”. In: Materials Science, Vol. 12, No. 1, 2006, pp62-64.

43

3. PETROGRAFÍA DE LOS AGREGADOS

3.1. HISTORIA DE LA PETROGRAFÍA La petrografía en el sentido moderno fue fundada al final del siglo XVIII por A.G. Werner (1749 – 1817), quien trabajó en Bergakademie Freiberg (Academia de Mineralogía de Freiberg, Alemania). Los estudios de él fueron basados apenas en observaciones a ojo en lupa, por eso, las descripciones fueron parciales y limitadas. Por ejemplo, no hubo como observar la composición mineralógica de rocas con granulometría muy fina, o sea, rocas constituidas por minerales pequeños, indistinguibles a ojo[1]. A mitad del siglo XIX, se iniciaron los análisis químicos de rocas; el microscopio, inventado en la misma época, logró revoluciones drásticas en los estudios de rocas y minerales. Junto con la aplicación de la técnica de lámina delgada, este instrumento posibilitó el análisis de rocas de granulometría muy fina en el estudio detallado de cada mineral, Una lámina delgada es una película fina de roca con 30 µm de espesor, preparada para la observación microscópica. Una invención posterior del polarizador por W. Nicol, en 1928, causó otra revolución, perfeccionando la técnica de identificación y la clasificación de minerales, es decir, la mineralogía óptica (figura 32); un microscopio equipado de polarizadores es llamado microscopio petrográfico[1].

Figura 32. Instrumentos usados en petrografía: Micr oscopio petrográfico (izquierda) y lupa

binocular [1]. Entonces, la petrografía microscópica fue establecida antes del inicio del siglo XX, principalmente por investigadores alemanes y franceses: H.C. Sorby (1858; “On the mineralogical structure of crystals”), F. Zirkel (1866; “Lehrbuch der

44

Petrographie”), A. Michel-Lévy, K.H.F. Rosenbusch (1877; “Microscopische Phisiographie der massigen Gesteine”), etc. Los anteriores trabajos, son considerados como la petrografía moderna, y fueron escritos en forma de libros de cuatro volúmenes por A. Johannsen (1931; “A descriptive petrography of the igneous rocks”). Después del establecimiento de la petrografía descriptiva, los investigadores se interesaron más por la génesis de las rocas, creando a petrología. En el inicio del siglo XX, F. Becke desarrolló el concepto de provincias petrográficas a través de trabajos geoquímicos, y la clasificación de las fallas metamórficas por medio de condiciones de presión y temperatura (1903; “Ueber Mineralbestand und Struktur der Kristallinen Schifer”). J.H.L. Vogt interpretó magmas como silicatos que forman un sistema eutético, y estableció diagramas de fase de minerales félsicos, que son compuestos principalmente de Si, Al, Na y K, con bajo contenido de Fe y Mg (1903-1904; “Die Silikatschmelzlozungen”); A. Harker relacionó los tipos de rocas ígneas con las condiciones tectónicas: En las regiones tectónicamente compresivas ocurren magmas no alcalinos, y en las distensiones, magmas alcalinos (1909; “The natural history of igneous rocks”); en esta publicación, Harker llamo a las rocas no alcalinas como “tipo pacífico”, y a las alcalinas como “tipo atlántico”[1]. Actualmente, los laboratorios de petrografía poseen equipos modernos donde se realizan además, estudios geoquímicas, y otros de caracterización que complementan las inspecciones petrográficas, como son mostrados en las figuras 33-36. Los equipos de tecnología de punta, son mostrados en las figuras 37-39[1].

Figura 33. Equipo para flourescencia de rayos x, de l Tokio Institute of Technology, Japón,

para análisis químicos de elementos minerales princ ipales y menores en roca total [1].

45

Figura 34. Difratómetro de rayos x de cuatro ejes, del Hirosaki University, Japón, para

análisis cristalográfico de minerales [1].

Figura 35. Microsonda electrónica para análisis quí micos de elementos principales en

pequeña área, del Tokyo Institute of Technology [1].

Figura 36. Diamond window cell, para ensayos en con dición de manto inferior y de núcleo

externo, del Kyoto University, Japón [1].

46

Figura 37. SIMS, espectómetro de masa de ión secund ario, del Tokyo Institute of

Technology, Japón, que realiza análisis químicos e isotópicos de de ultra alta sensibilidad en pequeña área [1].

Figura 38. LA-ICP-MS, espectómetro de masa de plasm a, del Tokio Institute of Technology,

Japón, para análisis químicos e isotópicos de ultra alta sensibilidad [1].

Figura 39. Espectómetro Raman de Laser, del Tokio I nstitute of Technology, Japón, que

realiza análisis mineralógico [1].

47

3.2. OBJETIVOS DE LA PETROGRAFÍA

Dentro de los objetivos fundamentales de un estudio petrográfico se puede mencionar[2]:

• Determinar la naturaleza de los materiales constitutivos del concreto y la manera en que cada componente aporta a las propiedades físicas del mismo.

• Conocer el efecto de la mineralogía y estructura cristalina de los agregados en la resistencia del concreto. De la naturaleza del contacto entre los agregados y la pasta de cemento depende en gran medida del comportamiento y desempeño del concreto en una estructura.

La petrografía permite conocer las proporciones de los constituyentes del concreto en estado endurecido: agregados, cemento, adiciones y vacíos; y la forma en que éstos interactúan para proporcionar las propiedades físicas y desempeño del concreto durante su vida útil. La apariencia de estos constituyentes bajo el microscopio y su correlación con las propiedades físicas permite hacer inferencias acerca de la historia del concreto de estudio y la influencia de las diferentes etapas por las que atraviesa este material desde la fabricación de sus materias primas, pasando por el proceso de mezclado, su colocación en obra, su curado y finalmente su comportamiento frente a las condiciones ambientales a las que es sometido[2]. En el estudio de los agregados, el petrógrafo debe concentrar su atención durante la descripción de los mismos, en aquellos que tienen un efecto potencial en las propiedades del concreto, como por ejemplo constituyentes indeseables o potencialmente nocivos, incluyendo arcilla, mica libre, yeso, pirita y materiales reactivos a los álcalis. La figura 40, muestra la estructura interna de un agregado procedente de rocas ígneas intrusivas, donde la presencia de cristales de caras rectas y gran tamaño permite hacer inferencias sobre la fragilidad de este material influyendo en la respuesta mecánica del concreto por la naturaleza del contacto en la interfase pasta – agregado[2].

48

Figura 40. Estructura mineralógica de una roca ígne a intrusiva [2].

También se pueden establecer indicadores de la relación agua / cemento observables pretrográficamente, como[2]:

• Exudación excesiva o segregación del agua con respecto al resto de constituyentes de la mezcla, lo que corresponde a una alta relación a/c, que afecta tanto la resistencia como la durabilidad y se manifiesta por medio de vacíos irregulares o zonas de pasta de cemento localizadas excesivamente porosas.

• Porosidad capilar. • Rasgos mineralógicos, con la observación de la cantidad, tamaño de

cristalización, y disposición, variantes con la relación a/c. La figura 41, muestra evidencias de exudación excesiva manifestada por la presencia de zonas de concentración de pasta con microporosidad y un canal capilar (azul). La figura 42, muestra en color marrón una pasta bien hidratada, mientras que en color azul tenue, una pasta con porosidad capilar. La figura 43, muestra la apariencia de un concreto en sección delgada mediante la técnica de microscopía fluorescente, apreciándose zonas de color verde oscuro que

49

presentan una relación a/c más baja que las zonas de color verde claro, la estructura interna de los agregados, en color negro, y las fisuras y vacíos en color amarillo. La figura 44, muestra la apariencia de un concreto con vacíos de agua, evidenciados por su forma irregular y gran tamaño de color rojo[2].

Figura 41. Evidencia de exudación excesiva [2].

Figura 42. Apariencia de una pasta bien hidratada ( color marrón) y una pasta con porosidad

capilar (color azul) [2].

50

Figura 43. Apariencia de un concreto mediante la té cnica de microscopía fluorescente [2].

Figura 44. Apariencia de un concreto con vacíos de agua [2].

La petrografía utiliza diversas técnicas de análisis con diversas aplicaciones; entre ellas, la inspección y el ensayo de estructuras in situ, la inspección inicial, la microscopía petrográfica convencional, y el método de diagnóstico rápido por medio del giraldoscopio. La figura 45, muestra la apariencia típica de un concreto bien hidratado bajo el microscopio petrográfico, donde en color blanco son observados los agregados y en color marrón la pasta de cemento bien hidratada.

51

La figura 46, muestra la estructura interna de un concreto para pavimentos observado a través de un giraldoscopio[2].

Figura 45. Apariencia de un concreto bien hidratado [2].

Figura 46. Estructura interna de un concreto para p avimentos [2].

52

3.3. IMPORTANCIA DE LA PETROGRAFÍA Entonces la petrografía del concreto se ha convertido también en una herramienta única para resolver determinados problemas del concreto, razón por la cual centros de investigación de este material, han realizado avances significativos en la aplicación de esta técnica. Se puede citar como ejemplo, los trabajos desarrollados por The Construction Technology Laboratories Inc., del PCA, donde se han expresado de la evaluación petrográfica de la siguiente manera: “la evaluación petrográfica del concreto con método petrográficos proporciona información valiosa sobre su composición, condición, y desempeño funcional. Un examen petrográfico, realizado en conformidad con la norma nacionalmente aceptada, ASTM C 856, a menudo produce el análisis más rentable cuando las propiedades del material están en duda”[3]. La petrografía permite identificar o excluir causas posibles de una variedad de problemas relacionados con el concreto, y de igual manera, permite sugerir decisiones hacia ensayos adicionales; los resultados de un examen petrográfico se presentan en un informe que incluye las observaciones detalladas, documentación fotográfica de las características importantes, y un resumen de los hallazgos. El examen petrográfico es una herramienta única para resolver un problema específico, parte de una evaluación de ingeniería exhaustiva, o soporte en procesos de litigio; entonces, se podría definir la petrografía del concreto, como la investigación del concreto y materiales de construcción relacionados que utiliza métodos y técnicas derivadas de la geología, metalurgia, y los cerámicas[3-4]. La petrografía se puede aplicar a los agregados, morteros, grout, yeso, estuco, terrazo, y mezclas similares de cemento Pórtland; sin embargo, se requiere de la preparación cuidadosa y el examen de muestras por especialistas altamente entrenados, y la utilización de adecuados equipos para tal fin, figura 47[3].

Figura 47. Petrografía con el microscopio petrográf ico [3].

53

El análisis petrográfico se hace sobre secciones delgadas; la preparación de una sección delgada se realiza con equipo adecuado dotado con piezas de diamante, que cortan y pulen superficies de una porción seleccionada del concreto sobre un portaobjetos de vidrio, puliéndose dicho material hasta que la luz pase a través de él. La sección delgada es examinada utilizando microscopios petrográficos y estereoscopio y, si es necesario, un microscopio electrónico de barrido. Así, el examen petrográfico describe la composición y las propiedades del concreto y puede determinar[3]:

• Condición del material. • Causas de calidad inferior o deterioro. • Cumplimiento con las especificaciones del proyecto. • Potencial del desempeño futuro.

Las características del material evaluadas mediante un examen petrográfico son[3]:

• Estimado del contenido de poros de aire (figura 48). • Estimado de la relación agua-cemento. • Grado de hidratación del cemento. • Extensión de la corrosión del refuerzo de acero. • Extensión de la carbonatación de la pasta. • Causas potenciales de manchas o decoloración. • Evidencia de deterioro por congelamiento y deshielo. • Evidencia de acabado inadecuado. • Evidencia de congelamiento temprano. • Presencia de reacción nociva álcali agregado (figura 49), ataque de

sulfatos, u otro ataque químico. • Tipo de agregado. • Presencia o ausencia de materiales cementosos suplementarios (por

ejemplo, microsílice, ceniza volante, escoria granulada de alto horno). • Presencia o ausencia de otras adiciones tales como fibras y pigmentos.

54

Figura 48. Grupo de poros de aire a lo largo de la periferia de una partícula de agregado

grueso [3].

Figura 49. Microfotografía de sección delgada mostr ando concreto dañado por la reacción

expansiva álcali – sílice (ASR) [3]. El examen petrográfico es complementado a menudo con el análisis químico, análisis por difracción de rayos-x, análisis de porosidad, ensayos físicos, y microscopia electrónica de barrido. La microscopia electrónica de barrido con espectroscopia rayos-x de energía dispersiva (SEM / EDS) es una importante herramienta para el examen y análisis de las características microestructurales y microquímicas de los materiales. El SEM proporciona imágenes de alta resolución a grandes aumentos con una mayor profundidad de campo, mejorando las características morfológicas y texturales del material; El EDS proporciona el microanálisis elemental de las partículas o áreas de una muestra o puede trazar el mapa de distribución de los elementos dentro de una muestra. El uso de SEM / EDS puede complementar el examen petrográfico en las siguientes aplicaciones, entre otras[3]:

• Análisis de contaminación superficial o manchas. • Evaluación de pinturas o recubrimiento. • Evaluación de productos de corrosión. • Identificación y medida de características microscópicas.

55

Una aplicación interesente en esta área, es la evaluación de concretos sometidos al fuego; la figura 50, muestra una microfotografía de corte delgado, cuya caracterización petrográfica mediante microscopía de una piedra partida sometida a 4 horas y media de fuego normalizado (1200 °C), p ermite observar colores blancuzcos, fragilidad y un desgranamiento de sus componentes; con respecto a su textura, se visualiza una disposición de minerales similar como si no se hubiera sometido al fuego, pero con un mayor grado de fractura y rotura; las micas (biotitas) se han transformado en óxidos de hierro y en los bordes de estos se aprecian síntomas de fusión; los feldespatos (microclino y ortosa) al igual que el cuarzo presentan solo alteración física, como fractura y fisura[5].

Figura 50. Microfotografía de corte delgado [5].

3.4. PETROGRAFÍA DE MORTEROS

Gran parte de las investigaciones, cuyo fin es el de medir y evaluar la calidad de la adherencia entre el mortero y la unidad de mampostería, emplean métodos macroestructurales orientados al estudio del comportamiento mecánico de dicha interfase. En vista del amplio rango de resultados contradictorios que se obtienen, las investigaciones han sido encaminadas hacia los métodos microestructurales, con el fin de examinar con un mayor grado de detalle la interfase mortero – unidad. Fundamentalmente la adhesión en la mampostería es una propiedad que depende de la microestructura. La tasa inicial de absorción, la porosidad de la

56

unidad, la textura superficial de la unidad, y las características de la interfase mortero – unidad son propiedades controladas por la estructura de los materiales a nivel microscópico[6]. El estudio petrográfico del mortero, realizado mediante las técnicas aplicadas al hormigón (por la similitud entre los dos materiales) permite describir propiedades físicas como permeabilidad, densidad, absorción, durabilidad, patrones de fisuras, la distribución de los agregados, la composición porcentual de éstos y de la matriz cementante y la naturaleza de la adherencia entre la pasta y agregados, según está descrito en la ASTM C 856 – 95. Este estudio puede limitarse, a una inspección visual y estereoscópica, permite identificar la composición del mortero, la distribución, forma, textura superficial y gradación de los agregados, el color y patrón de falla alrededor de la matriz o a través del agregado[6-7]. La figura 51, muestra micrografías de secciones pulidas, de un mortero elaborado con áridos reciclados y agregados naturales, respectivamente. La micrografía del mortero elaborado con el árido reciclado muestra una distribución similar del tamaño de los granos en toda su composición, a diferencia del mortero tradicional, que presenta una tendencia a contener acumulación de material más fino en ciertas zonas[6].

Figura 51. Secciones pulidas de morteros elaborados con agregado reciclado (izquierda) y

natural [6]. Al observarse en detalle la micrografía del mortero elaborado con árido reciclado (figura 52-a), se puede reconocer que éste no presenta fisuras notables que puedan afectar su resistencia, a pesar de que podría pensarse que la angulosidad de los granos pudiera inducir esfuerzos en los extremos generando patrones de fisuras que se extendieran a los largo de la pasta de cemento. Sin embargo pequeñas reducciones en la resistencia a la compresión con relación a un mortero de áridos naturales, puede ser debida a la presencia de una fracción

57

(aproximadamente del 15%) con partículas planas de cemento hidratado, como se muestra en la figura 52-b[6].

Figura 52. Detalle de una micrografía de un mortero [6].

3.5. PETROGRAFÍA DE ROCAS Algunas aplicaciones de la petrografía es el estudio o la evaluación de una roca como cantera potencial para la extracción de agregados para el concreto. A continuación se muestran diversos análisis desde el punto de vista de una evaluación petrográfica de una roca para aspectos geológicos, que podrían ser aplicados para el estudio de los agregados del concreto. Un análisis petrográfico permite clasificar la arena como un material constituido esencialmente por cuarzo, con elevado estado de recristalización y cierto estiramiento mineral. La orientación de los cristales indica que se trata de una roca metamórfica generada en un elevado estado deformacional. Una muestra analizada y clasificada como roca metamórfica de composición granítica formada en zona de falla, cuarzo microclinio milonito, al ser vista en una imagen microscópica en falso color con luz polarizada, muestra las características anhédricas de los minerales y, en algunos casos, el estiramiento del cristal de cuarzo; también puede observarse el estado deformacional de los diferentes minerales, ya sea como una fractura, en este caso precedido como una mica blanca; figura 53[8].

58

Figura 53. Imagen microscópica en falso color con l uz polarizada [8].

Al realizarse un estudio de una muestra mediante luz transmitida y reflejada, se pueden observar sus características texturales, con las cuales se hace la clasificación petrográfica, de acuerdo con un tipo petrografíco (seguido de un número de la clasificación). A manera de ejemplo, se muestra en la figura 54, la mineralogía de una roca, a la cual se le hace el siguiente análisis: los cóndrulos presentan secciones elipsoidales y distintos tipos texturales y mineralógicos, su tamaño oscila entre 0,5 y 1,5 mm aproximadamente, excepto un cóndrulo de 8 mm visible en muestra de mano; aunque los más frecuentes son los cóndrulos radiales de piroxeno (figura 54-a), también se han reconocido cóndrulos barrados de olivino (figura 54-b), de olivino mas minerales metálicos (figura 54-c), microgranulares de olivino (figura 54-d), porfídicos de olivino mas piroxeno (figura 54-e) y un cóndrulo rico en cromo (figura 54-f); y en mayor o menor grado, todos los cóndrulos presentan una mesostasia de composición plagioclásica. El cóndrulo rico en cromo (0,8 x 1 mm) exhibe una microestructura donde se diferencian claramente tres zonas: una zona externa formada por granos euhedrales de cromita (1-20 µm) y troilita mas fases Fe,Ni (5-30 µm) accesorias; una zona intermedia que consiste en granos de cromita euhedrales (1-10 µm) y apatito anhedral (10-70 µm) accesorio, y una zona interna con granos de cromita (1-5 µm) e ilmenita anhedral (1-5 µm) accesoria; todas las zonas están incluidas en una mesostasia cuya composición es plagioclasa[9].

59

Figura 54. Mineralogía del meteorito de Reliegos: a .- cóndrulo radial de piroxeno; b.-

cóndrulo barrado de olivino; c.- cóndrulo de olivin o mas metálicos; d.- cóndrulo microgranular de olivino; e.- cóndrulo porfídico de olivino mas piroxeno; f.- cóndrulo rico en

cromo; g.- Fe-Ni metálico; h.- troilita [9]. Se puede observar también, que la matriz está compuesta por agregados metálicos (0,3-4 mm) y fragmentos de cóndrulos (con un tamaño medio de 300µm) incluidos en un agregado heterogéneo de grano más fino, compuesto mayoritariamente por olivino y ortopiroxeno, con cromita y apatito accesorios. La condrita contiene aproximadamente un 6,5 % en volumen de componentes metálicos diseminados. Se reconocen agregados de kamacita, taenita, troilita y Cu nativo accesorio que presentan un halo de oxidación, aunque observados con luz reflejada no se reconocen alteraciones a óxidos de hierro. Los análisis de microsonda electrónica han permitido diferenciar claramente las distintas fases de Fe, Ni metálico. Estas fases metálicas son anhedrales con morfologías globulares típicas de procesos de fusión (figura 54-g). La troilita está en contacto con los

60

granos de Fe,Ni y también en inclusiones anhedrales en el interior de los mismos (figura 54-h). La cromita de la matriz se encuentra como pequeños granos anhedrales (0,4 mm de media en su máxima dimensión), habitualmente en contacto con troilita y con Fe,Ni metal[9]. La figura 55, permite hacer mediante un estudio petrográfico de la muestra, poner de relieve que se trata de un compuesto metálico de textura masiva, en la que aparecen de manera dispersa, y a modo de inclusiones, pequeños agregados cristalinos de morfologías esféricas o elipsoidales, y un tamaño no superior a 250 µm. Estos agregados presentan una textura granular definida por un intercrecimiento de dos fases minerales con distinta luminiscencia bajo el haz de electrones retrodispersados. Ambas fases muestran tamaños de grano homogéneos (< 10 µm), aunque también aparecen agregados de varios cristales de la misma fase[10].

Figura 55. Imagen (electrones retrodispersados) de una inclusión en la alineación metálica que contiene un agregado mineral formado por dos fa ses distintas: una fase de sulfuro de manganeso (de color gris claro) y otra de silicato de manganeso (de color gris oscuro) [10].

Petrográficamente las arenitas poseen granulometría de arenas gruesas, en la clasificación de Wentworth, con granos mal seleccionados y predominantemente angulosos a sub-angulosos. El empaquetamiento es de tipo flojo, en la clasificación de Khan, predominando contactos fluctuantes entre los granos del arcabouzo, como es mostrado en la figura 56-a, donde también se observa que debido a la sustitución de los granosdel arcabouzo por el cimiento carbonático es difícil observar la forma original de los granos en algunas de las muestras. Las figuras 56-b a 56-e, y 57-a muestran un madurez mineral baja debida a la presencia de granos de piroxenio, anfibolio y fragmentos de rocas volcánicas. La

61

figura 57-b muestra una madurez textural baja, ocurriendo en algunas muestras una inversión textural debida a la infiltración mecánica de arcillas[10].

Figura 56. a.- contactos fluctuantes entre los gran os y sustitución del grano de cuarzo por

calcita; b.- fragmento de roca volcánica básica com puesta de arcabouzo de la arenita, donde se observa la cimentación precoz por hematita en to rno a los fragmentos líticos. C.-

Fragmento de roca volcánica alcalina presentando un a textura vitrofírica y fenocristalina de feldespatóides, K-feldespato y aegerina-augita. d.- Arenita presentando baja madurez

mineralógica [10].

Figura 57. a.- fragmento de roca volcánica alcalina , donde se observa la textura vitrofírica y

el proceso de palagonitización del vidro volcánico; c.- Arenita presentando inversión textural debida a la infiltración mecánica de arcil las; c.- cuarzo autigénico (Qz), donde se observa que el cimiento de calcita espática (Z1) co rroe el overgrowth del cuarzo, y la Z2

indica la película de arcilla envolviendo el grano detrítico; d.- grano de cuarzita (Q) envuelto por una franja de calcita (Z) y la cimentación por barita (Ba) [10].

62

3.6. BIBLIOGRAFÍA [1]MOTOKI, A.; “Descrição Petrográfica de Rochas Ígneas”. Departamento de Mineralogia e Petrologia Ígnea, Universidade do Estado do Rio de Janeiro. 2004. 8 p. [2]GIRALDO, J.J.; PÉREZ, R.V.; “Concreto bajo microscopio, petrografía: ciencia aplicada al estudio del concreto y sus materias primas”. En: Revista Notricreto, no. 61, pp40-46. [3]CAFFERO, A.M.; ”Petrografía del concreto”. En: Concrete Technology Today. 2p. PDF. [4]FRANCK, R.; JOUKOSKI, A.; GARCÍA, M.I.; PORTELLA , K.F.; DERKSEN, R.; “estudos físico-químicos e mecânicos de concretos produzidos com rejeitos de porcelana de linhas de transmissão e distribuição, em substituição parcial ou total dos agregados naturais”. II Congresso Brasileiro de Termodinậmica Aplicada. 26-29 setembro 2004. [5]CHARREAU, G.L.; LUNA, F.S.; “Efecto del fuego sobre los hormigones, alteraciones sufridas por los agregados”. Instituto Nacional de Tecnología Industrial, INTI – CECON. 14p. [6]HINCAPIÉ H., A.M.; AGUJA L., E.A.; “Agregado reciclado para morteros”. En: Revista Universidad EAFIT, Vol. 39, no. 132, 2003, pp76-89. [7]ALCOCER, S.M.; “Rehabilitación de estructuras de mampostería”. 106p. [8]GARCÍA, M.I.; JOUKOSKI, A.; PORTELLA, K.F.; GOME S JR., S.B.; “Utilização de terra Füller, proveniente de regeneração de óleo isolante de transformadores, como agregado miúdo em concretos”. IBRACON - Volume II - Construções em Concreto - Trabalho CBC0239 - pp. II.1736 - II.1750. 46º Congresso Brasileiro do Concreto. [9]MARTÍN C., T.; LOZANO, R.P.; “Caracterización mineralógica y petrográfica de dos ejemplares de la colección de meteoritos del Museo Geominero (IGME)”. Universidad Rey Juan Carlos – Museo Geominero. Madrid, 10p. [10]BATEZELLI, A.; SOUZA G., N.; PERINOTTO, J.A.D.J .; “Petrografia e evolução diagenética dos arenitos da porção norte e nordeste da bacia bauru (cretáceo superior)”. Revista Brasileira de Geociencias 35(3):311-322, setembro de 2005.

63

4. REACCIÓN ÁLCALIS – AGREGADO

4.1. INTRODUCCIÓN La presencia de minerales potencialmente reactivos con los álcalis puede producir, bajo ciertas condiciones de humedad, temperatura y presencia de álcalis, la formación de un gel expansivo. Dicho gel se expande ante la existencia de humedad, pudiendo provocar fisuras importantes en el hormigón y alterando la durabilidad del mismo[1]. Estas reacciones denominadas reacción álcali – agregado (AAR) se produce debido a la presencia de los álcalis del cemento Pórtland, óxidos de sodio y de potasio, y en los agregados, sílice amorfa o semicristalina; la humedad juega un papel importante ya que actúa como agente propiciador de la reacción, además del álcali presente en el medio externo[2]. El desarrollo de reacciones entre los agregados y los álcalis del cemento ha sido motivo de investigaciones y experimentación en ensayos de corta duración en condiciones de degradación acelerada, en los cuales se parte del supuesto que el comportamiento del material en servicio será el mismo que en el ensayo acelerado realizado en laboratorio, donde la diferencia con la realidad radicaría en la velocidad en que se desarrolla el proceso de deterioro; las experiencias reportadas en la literatura pone en evidencia que aún en la actualidad, no se puede asegurar en qué medida existe correlación con su comportamiento en servicio[3]. Las estructuras de hormigón que durante algún período de su vida en servicio pudieran estar, en forma permanente o periódica, en contacto con agua, suelos húmedos o atmósferas con humedad relativa superior al 80 %, deben ser construidas con un conjunto de materiales componentes (cemento, agregados, aditivos, adiciones minerales y agua) para los cuales esté comprobado que no se producen expansiones y / o deterioros como consecuencia de la reacción álcali – sílice (RAS). Los resultados de estas evaluaciones son definitivos acerca de la existencia de RAS en la estructura observada y de su potencial de ocurrencia en las que se van a construir con las condiciones antes mencionadas; estas conclusiones son válidas con prescindencia de los resultados que se obtengan en los ensayos de laboratorio, cuyo procedimiento de evaluación puede ser orientado de acuerdo con el diagrama de flujo mostrado en la figura 58[4].

64

Figura 58 [4].

La reacción álcali – agregado fue descubierta en 1944 por T.E. Stanton, y numerosos estudios sobre los mecanismos que se basan en la termodinámica y la cinemática de dicha reacción, que han permitido identificar los factores que en ella

65

intervienen; también numerosas investigaciones se han orientado al estudio de posibles inhibidores que disminuyan el potencial de la patología presentada, las cuales han dado resultados satisfactorios que en adición han producido mejoramiento de las propiedades mecánicas[5]. Resulta entonces de interés, conocer los diferentes conceptos y experiencias que en torno del fenómeno existen, para lo cual se ha preparado una visión general sobre el tema.

4.2. MECANISMO DE LA REACCIÓN La reacción álcali – agregado es una serie de reacciones que se presentan entre la solución alcalina y algunos minerales de los agregados, que se caracteriza por ser lenta, que sin embargo, se ha evidenciado ya al octavo mes del fraguado del concreto, aunque con una mayor proporción entre los 21 y 30 meses; en ella se forma un gel de silicatos alcalinos, por el inicio del ataque de los hidróxidos alcalinos derivados de los álcalis que contiene el cemento, sobre los minerales silíceos de los agregados, los cuales son “obligados” a presentar un alto contenido acuoso. El fenómeno se acrecienta y propicia cuando existe un medio “ideal”, cuyos factores son el contenido de humedad, la cantidad de minerales potenciadores, la temperatura, alcalinidad del agua en el poro del concreto, concentración de portlandita, tiempo para la producción de la reacción, exposición del concreto a ambientes agresivos (alcalinos), y cambios climáticos.[7]

Existen tres tipos de reacción álcali – agregado, a saber: álcali – sílice (ASR), producida entre los álcalis de la solución y constituyentes silíceos en los agregados (sílice amorfa, microcristalina o poco cristalina), que conduce a la expansión y agrietamiento de la estructura de concreto[8]; álcali – carbonato (ACR), conocida como una expansión deletérea, donde se produce una reacción de agregados de origen calizo dolomítico o arcilloso y los álcalis de la pasta de cemento, causando hinchamiento y esfuerzos internos en el concreto, lo que conlleva a su agrietamiento[9]; y álcali – silicato, producida por la presencia de grandes cantidades de álcalis y de agregados constituidos por silicatos polifásicos (argilita, filita), y filosilicatos de estructura foliada reticular, y de una manera muy lenta[10]. Se distinguen cuatro reacciones para la sílice gel / sodio hidróxido / sistema, cuando el análisis de la reacción álcali – sílice se considera mediante los modelos de estudio de soluciones de Glasser y Kataoka[11]: disolución de la sílice por el ataque del hidrófilo y rompimiento de las bandas de silanol (Si-OH), reacción de

66

los grupos silanol con los OH en la solución, enlazamiento de los iones Na+ y los iones Ca2+, y la reacción de los tipos de silicato en solución con los iones de calcio en solución para formarlos silicatos de calcio hidratado (C-S-H). Se presentan dos fases, las cuales son descritas a continuación[11]:

• Una primera fase donde se presenta una reacción ácido – base, la cual se inicia con la neutralización de los grupos silanol procedentes de la sílice reactiva y culmina con la disolución alcalina del hidróxido sódico (NaOH) procedente de la disolución de poros del concreto[12]. Se muestra esta fase en las siguientes reacciones:

Si-OH + OH → SiO + H2O (13)

SiO + Na+ → SiONa (14)

Donde, SiONa corresponde al gel de silicato alcalino.

• Una segunda fase referida al ataque de la solución alcalina a los puentes

de siloxano, como se muestra en la siguiente reacción:

(Si-O-Si) + 2OH → SiO + SiO + H2O (15) donde se forma un gel de silicato alcalino Si-O-Na que aumenta de volumen al absorber agua, conllevando a presiones internas en el concreto que pueden causar expansión y agrietamiento[12]. La ecuación general de la sílice reactiva se muestra a continuación: nSiO2 + 2KOH + (n – 2)H2O → K2H2(n – 1)(SiO2)n (16) En investigaciones realizadas por Thomas[13], Roy et al[14] y Perruchot et al[15], se reportan la influencia del calcio en la formación del gel de la ASR, de tal manera que se concluye que el calcio es necesario para la formación de geles expansivos, provoca una variación positiva de volumen total del sistema reaccionante a presión constante, de tal manera que los iones Ca2+ cerca de la interfase sólido – líquido en los concretos controlan la difusión de aquellos iones de sílice que están fuera del agregado reactivo; el alto valor de iones Ca2+, además de limitar la difusión también favorece el fenómeno de precipitación. Collins et al[16], esquematizan el mecanismo de formación gel álcali – sílice, en ocho pasos: agregado de silicio en la solución; ataque a la superficie de los agregados por los iones hidróxido y formación de grupos silanol; reacción de los grupos silanol con OH formando moléculas de SiO; reacción de SiO con los

67

cationes álcali, formando el gel álcali – sílice alrededor del agregado; interacción del agua con el gel álcali – sílice expandido y ejerciendo presión osmótica alrededor de la pasta o del agregado; superación de la resistencia a tensión del concreto produciendo el agrietamiento inclusive de fisuras interconectadas entre si, y daño por la reacción álcali – sílice. De igual manera, manifiestan la existencia de cuatro teorías para explicar la expansión de la AAR: la teoría de la doble capa propuesta por Prezzi (1997); la teoría de la presión osmótica propuesta por Hansen (1994); la teoría de la membrana de CSH propuesta por Chartterji et al (1986-1988); y la teoría del intercambio calcio – álcalis propuesta por Rotter (1995). Las figuras 59-60 muestran el agrietamiento producido por la reacción álcali – agregado, tanto en agregados como en estructuras[17].

Figura 59. Agrietamiento en estructuras debido a la reacción álcali – agregado [17].

Figura 60. Agrietamiento en estructuras debido a la reacción álcali – agregado [17].

68

4.3. EVALUACIÓN El Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón[4], menciona que cuando se utilicen agregados finos y/o gruesos de los cuales se carezca de antecedentes, o se tengan dudas sobre su reactividad potencial con los álcalis, dichos agregados deben ser evaluados con los siguientes métodos: análisis petrográfico, ensayo con el método acelerado de barras de mortero, y ensayo de prismas de hormigón. El análisis petrográfico, se debe realizar para identificar los componentes potencialmente reactivos presentes en el agregado fino y en el agregado grueso; el agregado fino y el agregado grueso que contenga uno cualquiera de los siguientes minerales, en cantidades mayores que las indicadas, debe ser considerado potencialmente reactivo, y cuyos límites deben ser aplicados a cada uno de los agregados individualmente, y al conjunto de los agregados de obra:

• Cuarzo tensionado, microfracturado o microcristalino, 5 %. • Chert y / o calcedonia, con trazas de ópalo incluidas en su masa, 3 %. • Tridimita y / o cristobalita, 1 %. • Ópalo, 0.5 %. • Vidrio volcánico contenido en rocas volcánicas, 3 %. • Arcillas del tipo esmectitas contenidas en la masa de basaltos, 2 %.

Cuando los agregados resulten potencialmente reactivos, se ensayan con el método acelerado de la barra de mortero, y cuando se conoce el conjunto de los agregados y las proporciones con que se utilizarán en obra, el ensayo se realiza también con esa mezcla y proporciones de agregados; el Reglamento mencionado, considera que un agregado fino, un agregado grueso, ó la mezcla de ambos es potencialmente reactivo cuando la expansión a los 16 días es igual o mayor que 0.10%. Como alternativa, se puede evaluar a los agregados con el método de ensayo de prismas de hormigón, donde se considera que los agregados, o la mezcla de agregados con las proporciones de obra, son potencialmente reactivos, cuando la expansión a la edad de un año es igual o mayor que 0.04 %.[4]

Cuando las evaluaciones indican que uno de los agregados, o la mezcla de ambos en las proporciones de obra, son potencialmente reactivos con los álcalis, se puede adoptar alguna de las siguientes soluciones[4]:

• Cambiar total o parcialmente el agregado potencialmente reactivo por otro no reactivo.

• Usar un cemento inhibidor de la reacción álcali-agregado. • Usar un cemento con o sin adiciones minerales activas pulverulentas que

halla demostrado ser efectivo para evitar la RAS con los agregados de obra.

69

• Usar una mezcla de cemento Pórtland normal más una adición mineral activa, inhibidora de la RAS.

• Limitar el contenido de álcalis total en el concreto, aportados por el cemento y los demás componentes, a 3 kg / m3 expresados en Na2O equivalente, siempre y cuando no haya aportes externos de álcalis.

• Adicionar inhibidores químicos al hormigón en proporciones suficientes para evitar que se produzcan expansiones y otros daños perjudiciales por RAS.

4.4. BIBLIOGRAFÍA [1]RUIZ, A.P.; FAVA, C.; “Estudio de fuentes de agregados de la República Argentina. Anticipándose a las exigencias respecto de la reacción álcalis – agregado”. Centro Técnico Loma Negra. 2000, 5p. [2]TURANLI, L.; BEKTAS, F.; MONTEIRO, P.J.M.; “Use of ground clay brick as a pozzolanic material to reduce the alkali – silica reaction”. Cement and Concrete Research, Vol. 33, March 2003, pp1539-1542. [3]PONCE D.D.M.; M.B.; “La durabilidad del concreto”. En: Primeras Jornadas Iberoamericanas sobre Caracterización y Normalización de Materiales de Construcción. Programa CYTED. Madrid. (Calvo, B., Maya, M., Parra, J.L., 2001, Editores). [4]REGLAMENTO CIRSOC 201; “Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón”. Parte 2: Especificaciones relativas a los materiales de y hormigones. Capítulo 2: Especificaciones por resistencia y durabilidad. Pp19-37. [5]RODRÍGUEZ A., C.A.; “Sostenibilidad de los concretos frente a la reacción álcali – árido, mediante el uso de adiciones”. Propuesta preliminar doctoral (Doctorado en Ingeniería de Materiales). Universidad del Valle. Santiago de Cali, 2007, 96p. [7]RILEM TC 191-ARP; “Guide to Diagnosis and Appraisal of ARR Damage in Concrete Structures”. The RILEM TC 191-ARP. May 2004. [8]MENDOZA E., C.J.; “Durabilidad de concretos estructurales”. Academia de Ingeniería. México, 2003. [9]FOURNIER, B.; BERUBE, M-A.; “Alkali – Aggregate reaction in concrete: a review of basics concepts and engineering implications”. Canada Journal Civil Engineering, Vol. 27, pp167-191, 2000. [10]RAMANCHANDRAN, V.S.; “Alkali – Aggregate expansion inhibiting admixtures”. Cement and Concrete Composites, No. 20, pp.49-161, 1998. [11]GLASEER D., L.S.; KATAOKA, N.; “Some observations on the rapid chemical test for potentially reactive aggregate”. Cement and Concrete Research, Vol. 11, pp191-196, 1981. [12]LEIRO L., A.; “Los procesos químicos de degradación del hormigón. Metodología para su detección y estudio”. CEDEX. 1999.

70

[13]THOMAS, M.D.A.; “The role of calcium in alkali – silica reaction”. M.D. Cohen et al (Editors), Materials Science of Concrete, Special Volume, The Sidney Diamond Symposium, American Ceramic Society, Westerville, 1988, pp325-337. [14]ROY, D.M.; ARJUNAN, P.; SILSBEE, M.R.; “Effect of silica fume, metakaolin, and low-calcium fly ash on chemical resistance of concrete”. Cement and Concrete Research, Vol. 31, pp1809-1813, May 2001. [15]PERRUCHOT, A.; MASSARD, P.; LOMBARDI, J.; “Experimentation and volume variability of Ca-Si gels, first products of alkali silica reaction (ASR)”. M.A. Berube et al (Editors), Proceedings of the 11th International Conference on Alkali – Aggregate Reaction in Concrete. Quebec, pp81-87, 2000. [16]COLLINS, C.; et al.; “Lithium Additives: the cure of Alkali – Silica Reaction?”. Georgia Tech. University, Atlanta. [17]GONZÁLEZ S., L.O.; “Petrografía de los agregados”. Trabajo de Curso (Tópicos Avanzados: Durabilidad del Concreto). Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales. Universidad del Valle. Santiago de Cali, 2007. [18]CAFFERO, A.M.; “Petrografía del Concreto”. En: Concrete Technology Today, 2p. PDF.

conceptos generales agregados

Documents

Transcript of conceptos generales agregados