PROPIEDADES Y DISEÑO DE CONCRETO

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 PROPIEDADES Y DISEÑO DE CONCRETO Jony C. Gutiérrez Abanto Laboratorio de Ingeniería Civil

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PROPIEDADES Y DISEÑO DECONCRETOJony C. Gutiérrez Abanto

Laboratorio de Ingeniería Civil

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INTRODUCCION

El conocimiento de las propiedades del concreto tanto en estado fresco como en estadoendurecido tiene como finalidad primordial la de determinar el diseño de la mezcla.

Para el proporcionamiento de los ingredientes de una mezcla de concreto se han sugeridomuchos métodos dentro de los cuales se cuentan los analíticos, experimentales,semianalíticos y empíricos. Estos métodos han evolucionado desde los volumétricosarbitrarios (por ejemplo mezclas 1:2:4) de comienzos del presente siglo, al método de peso

y volumen absoluto actual, propuesto por el ACI.El método utilizado en el presente diseño tiene como base los procedimientos delAmerican Concrete Institute elaborado por el Comité ACI 211 y el de la Road NoteLaboratory (RNL).

El método americano ACI es el más conocido  y ampliamente usado. Se fundamenta en el principio básico de la relación agua/cemento desarrollado por Abrams. Consiste en seguir en forma ordenada una secuencia de pasos y determinar la cantidad de cada material en peso y en volumen, para 1 m3 de concreto.

Sin embargo el método ACI ha sido concebido de tal manera que el proporcionamientode los agregados se hace teniendo en cuenta que estos cumplan con las recomendacionesgranulométricas de la Norma ASTM C 33. Cuando las granulometrías no cumplan conlo establecido en ACI-211 es recomendable el procedimiento propuesto por la RNL deGran Bretaña que consiste en hacer una optimización granulométrica.

La práctica sugerida no pretende profundizar los principios en que se basó el método sinomostrar los diferentes pasos que deben seguirse, aplicando los conceptos estudiados en las prácticas anteriores.

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OBJETIVOS

• Analizar los materiales componentes para diseñar las mezclas, verificar sus propiedades recién preparadas y fundamentalmente para comprobar la calidad delconcreto en la estructura.

• Analizar los resultados obtenidos tanto del agregado fino como del agregado gruesoensayados anteriormente al diseño del concreto.

• Calcular las cantidades de cada uno de los materiales que se utilizaran en la mezcla.

• Verificar la calidad del concreto en términos de su resistencia y uniformidad, enrelación con las especificadas en los laboratorios y fundamentar así el criterio parala aceptación de la estructura.

• Determinar, mediante el asentamiento natural de una muestra tomada con un moldenormalizado, su grado de fluidez.

• Escoger bajo criterio fundamentado el método para el diseño de la mezcla.

• Verificar que al momento de desencofrar los cilindros de prueba estos no presenten

demasiados espacios vacíos; de lo contrario analizar el por que de esta situación.

• Observar la resistencia que tiene el concreto o la muestra después de los 3, 7, 14 y28 días, por medio del ensayo de los cilindros en el laboratorio.

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1. MARCO TEORICO

El objetivo que se persigue en el diseño de las mezclas de concreto es determinar lacombinación más práctica y económica de materiales disponibles para producir un concretoque satisfaga sus requerimientos bajo condiciones particulares de uso.

Una mezcla se debe diseñar tanto para estado fresco como para estado endurecido. Las  principales exigencias que se deben cumplir para lograr una dosificación apropiada enestado fresco son las de trabajabilidad en la colocación y economía, y para concreto

endurecido son las de resistencia, durabilidad, acabado y en algunos casos el pesovolumétrico Por lo común, las propiedades del concreto fresco se rigen por el tipo deestructura a fundir (vigas, muros, zapatas, etc.) y por las técnicas de colocación y transporte(bomba, banda transportadora, carretilla, etc.); así mismo, las propiedades del concreto enestado endurecido se establecen para las características mecánicas y de durabilidadespecificadas en el Diseño Estructural.

En el primer caso, la resistencia específica a la compresión f'c se involucra dentro delanálisis estructural como un parámetro que determina el material, dependiendo del tipo deestructura que se vaya a crear. En el segundo caso, se trata de definir aspectos del concreto

relacionados con la afectación por exposición ambiental.

El costo de la elaboración de una mezcla de concreto está constituida básicamente por elcosto de los materiales, equipo y mano de obra.

La variación en el costo de los materiales se debe a que el precio del cemento por kilo, esvarias veces mayor que el de los agregados y de allí, que el proporcionamiento debeminimizar la cantidad de cemento sin sacrificar la resistencia y demás propiedades delconcreto.

La diferencia en costo entre los agregados generalmente es secundaria; sin embargo, enalgunas localidades o con algún tipo de agregado especial pueden ser suficiente para queinfluya en la selección y dosificación.

El costo del agua usualmente no tiene ninguna influencia, mientras que el de los aditivos  puede ser importante por su efecto potencial en la dosificación del cemento y losagregados.

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El costo de la mano de obra depende de la trabajabilidad de la mezcla y de los métodos decolocación y compactación. Una mezcla poco trabajable con un equipo de compactacióndeficiente aumenta los costos de mano de obra.

1.1 DATOS PREVIOSAntes de dosificar una mezcla de concreto además de conocer los datos de la obra oestructura que se va a construir y de las condiciones de transporte y colocación, también sedeben conocer las propiedades de los materiales con los que se va a preparar la mezcla.

1.1.1 Datos de la obra

Los datos que se deben conocer de la obrason:

• Máxima relación agua/cemento• Tamaño máximo nominal del agregado• Asentamiento (consistencia) recomendado• Mínimo contenido de cemento• Dimensión mínima del elemento a construir • Espaciamiento del acero de refuerzo• Condiciones a que estará expuesta la estructura• Resistencia a la compresión mínima necesaria por consideraciones estructurales.• Densidad mínima para pesas de gravedad y estructuras similares.

Generalmente la totalidad de estos datos se obtiene de planos y especificaciones de la obray la norma sismo resistente.

1.1.2 Datos de los materiales

De las propiedades de los materiales que se van a utilizar se debe conocer:

• Granulometría• Módulo de fineza de la arena• Tamaño máximo de la piedra• Peso específico de la piedra y de la arena• Absorción de la piedra y de la arena• Peso unitario compactado de la piedra• Humedad de los agregados inmediatamente antes de hacer las mezclas.• Peso específico del cemento.

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1.2 MÉTODO DE DOSIFICACIÓN

Se puede apreciar que para el diseño de mezclas se recurre tanto a datos reales como adatos empíricos o de experiencia que con la ayuda de tablas, gráficas y ábacos, se obtiene

una guía para alcanzar combinaciones óptimas de los materiales.La optimización de las proporciones de la mezcla de concreto que cumpla con lascaracterísticas deseadas con los materiales disponibles, se logra mediante el sistema deajuste y reajuste.

Dicho sistema consiste en preparar una primera mezcla de prueba con unas proporcionesiniciales calculadas por los métodos que se explican a continuación. A la mezcla de pruebase le efectúa el ensayo de asentamiento y si su valor es diferente del recomendado, sereajustan las cantidades. Cuando se logra el asentamiento requerido con las proporcionesreajustadas, se elaboran muestras de cilindros a los que se les determina su resistencia a la

compresión; se compara con la resistencia especificada y si son diferentes, se vuelven areajustar las cantidades. Una vez reajustadas las cantidades, se elabora otra mezcla quedebe cumplir con el asentamiento y la resistencia requeridas; si por algún motivo no secumple alguno de los requerimientos debido a peculiaridades que no se detectan con losensayos corrientes que se efectúan a los materiales, se pueden hacer ajustes similares a losindicados hasta lograr los resultados deseados.

El método de dosificación se basa en la secuencia mostrada en la figura 11.1 (ver anexos).

1.2.1. Elección del asentamiento

Los valores de asentamiento recomendados se muestran en la tabla 11.1. (ver anexos).

Hay que tener en cuenta que los valores de asentamiento indicados se usan cuando elmétodo de compactación utilizado es la vibración. Cuando se empleen otros métodosdiferentes a los datos de la tabla 11.1. se deben aumentar en 2.5 cm. Cuando elasentamiento no se encuentra especificado en la tabla mostrada se puede adoptar un valor apropiado para la obra recordando siempre que se deben usar mezclas con la mínimaconsistencia que permitan una colocación eficiente.

1.2.2. Elección del tamaño máximo nominal (TMN)

El TMN está limitado por las dimensiones de la estructura teniéndose presente que enningún caso debe exceder de un quinto la menor dimensión entre los lados de la formaleta,de un tercio el espesor de las losas, ni de las tres cuartas partes del espaciamiento libre entrevarillas individuales de refuerzo, haces de varillas o cables pretensados. Estas restricciones

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se pueden evitar, si a juicio del ingeniero, la trabajabilidad y los métodos de compactaciónson tales que el concreto se puede colocar sin que se produzcan cangrejeras o vacíos .

De otra parte, los agregados con una buena granulometría y con mayor TMN tienden aformar masas más compactas y con menos vacíos que los de menor TMN; en consecuencia,si se aumenta el TMN de los agregados en una mezcla de concreto para un asentamientodado, tanto el contenido de agua como de cemento se disminuyen, con lo que se consiguenconcretos más económicos y con menor retracción por fraguado. Sin embargo cuando sedesea obtener concreto de alta resistencia, se debe reducir el TMN de los agregados, debidoa que estos producen mayores resistencias con una determinada relación agua cemento.

En la tabla 1 1.2. (ver anexos) se muestran valores recomendados por la selección delTMN de acuerdo con el tipo de construcción y la dimensión mínima del elemento.

En algunas ocasiones la elección del TMN puede no estar limitada por la dimensiónmínima del elemento a construir sino de otros factores como el equipo disponible paramezclar o el método de colocación del concreto que se requiera.

1.2.3. Estimación del contenido de aire

Con el objeto de tener un mejor criterio acerca de la cantidad de aire en el concreto, en latabla 11.3 (ver anexos) se enseñan los valores que recomienda la norma técnica para variosgrados de exposición.

Es importante anotar que cuando se prevea que la estructura no estará expuesta a ambientesseveros, la incorporación de aire incluido es notoriamente menor. El aire incluido beneficiala manejabilidad y la cohesión de la mezcla (Ver anexos Tabla 1 1.3) , con la mitad de losvalores de contenido de aire que se recomienda para concretos con aire incorporado.

1.2.4. Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a)

Se puede anotar que la cantidad de agua por volumen unitario de concreto que se requiere para producir un asentamiento dado depende del tamaño máximo del agregado, la forma ytextura de las partículas así como de la gradación de los agregados, de la cantidad de aire

incluido y de los aditivos reductores de agua (cuando son utilizados).De la figura 1 1.2 (ver anexos) se pueden obtener estimativos aproximados de la cantidadde agua de mezclado. Los curvas que aparecen están en función del TMN del agregado, delasentamiento deseado y de la forma y textura de las partículas de agregado.

Es necesario hacer hincapié en que el valor encontrado para la figura 1 1.2. hay que sumarleel agua de absorción de los agregados o restarle el agua libre de los mismos. Esto se debe a

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que la cantidad de agua calculada asume que los agregados son lisos y no absorbentes, osea que están en la condición saturada y superficialmente seca (sss). De allí la importanciade medir el contenido de humedad de los agregados con la mayor exactitud posibleinmediatamente antes de colocarlos en la mezcladora.

De otra parte, cuando se hacen mezclas de prueba para establecer relaciones de resistenciao para verificar la capacidad de producción de resistencia de una mezcla, se debe usar lacombinación menos favorable de agua de mezclado y contenido de aire.

En otras palabras, se debe utilizar el máximo contenido de aire permitido o el que  probablemente ocurra, y el concreto se debe calcular con el asentamiento más alto  permisible. Con estas precauciones se evita que se haga una estimación demasiadooptimista de la resistencia, bajo la suposición de que las condiciones promedio más que lasextremas son las que predominan en el campo.

1.2.5. Elección de la relación agua/cemento (a/c)

La relación agua/cemento, medida en peso, es uno de los factores más importantes en eldiseño de mezclas de concreto y por lo tanto se le debe prestar mucha atención a suselección, la relación agua/cemento requerida se determina básicamente por requisitos deresistencia, durabilidad, impermeabilidad y acabado.

Puesto que los diferentes agregados y cementos producen generalmente resistenciasdistintas con la misma relación agua/cemento y además cuando no se le ejerce un control a

la durabilidad, la selección de la relación agua/cemento se debe hacer con base en eldesarrollo de gráficas en donde se relacione la resistencia a la compresión y la relaciónagua/cemento, tal como se muestra en la figura 1 1.3 (ver anexos) para un cemento portlandtipo I.

En tales casos, si es posible, las pruebas se deben efectuar con los materiales que van a ser utilizados en la obra. Si por el contrario, los datos de las pruebas de laboratorio o registrosde experiencia para llevara acabo esta relación no pueden ser obtenidos por limitaciones detiempo o por algún otro motivo, se pueden usar los de la tabla 1 1.5 (ver anexos) o los de lafigura 1 1.3 (ver anexos) que aunque aproximados, son relativamente seguros paraconcretos elaborados con cemento Portland tipo I. Los valores tabulados y graficados deben

cumplir las resistencias mostradas, las cuales están basadas bajo condiciones normalizadasde laboratorio.

De otro lado, cuando se prevean condiciones severas de exposición, la elección de larelación agua/cemento debe ser lo más baja posible, aún cuando los requisitos de resistencia puedan cumplirse con un valor más alto. En la tabla 1 1.6 (ver anexos). Se indican estosvalores límites.

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1.2.6. Cálculo del contenido de cemento

El cálculo de la cantidad de cemento por metro cúbico de concreto es muy sencillo.

Simplemente, como ya se tienen la relación agua/cemento y el contenido de agua,calculados en los dos pasos inmediatamente anteriores se despeja el contenido de cemento(c). O sea,

ca

a

c

/=

1.2.7. Verificación de las especificaciones granulométricas

Un buen concreto fresco y endurecido depende en gran medida de la granulometría de los

agregados. Por este motivo, antes de dosificar las cantidades de arena y grava es necesarioverificar que su distribución de tamaños esté comprendido dentro de un rango preestablecido y no obtener proporciones de agregado grueso y fino, no convenientes.

La verificación se lleva a cabo bien sea elaborando una curva granulométrica de losagregados de que se dispone y compararla con la recomendada en la norma (ASTM C 33),o bien tabulando. Dependiendo de sí están o no dentro del rango granulométricorecomendando, la dosificación de grava y arena se puede lograr por uno de los métodossiguientes:

Método ACI: 

Se utiliza cuando los agregados cumplen con las recomendaciones granulométricas(ASTM C-33).

Método de la Road Note Laboratory:

Se utiliza cuando los agregados no cumplen con las recomendaciones granulométricas(ASTM C-33).

Las recomendaciones granulométricas que da la ASTM en su norma C-33 se indican en las

tablas 11.7 (ver anexos) y 11.8 (ver anexos), para agregado grueso y fino respectivamente.

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1.2.8. Optimización de la granulometría  Método de la Road Note Laboratory (RNL)

En la práctica, el método más utilizado es el gráfico que consiste en lo siguiente:

Se dibuja un cuadro de 10 divisiones en ordenadas y 10 divisiones en abscisas, tal como seaprecia en la figura 1 1.4.

Se enumeran los ejes de las ordenadas de abajo hacia arriba de O a 100 y los ejes de lasabscisas, el superior de O a 100 de izquierda a derecha y el inferior de derecha a izquierda,de este modo cualquier valor de arriba sumado al correspondiente valor de abajo da 100.

Se escoge el eje superior como eje de porcentajes de arena y el inferior como eje de porcentajes de piedra.

Sobre el eje de las ordenadas correspondientes al 100% de la arena se coloca la

granulometría de la arena y sobre el eje correspondiente al 100% de la piedra se coloca lagranulometría de dicho material.

Se unen por medio de líneas rectas los puntos correspondientes a cada tamiz en las dosgranulometrías. Se tienen entonces líneas inclinadas que representan los posibles porcentajes de mezcla de agregados que pueden pasar por cada uno de los tamices.

Sobre las líneas inclinadas se colocan los puntos correspondientes a la especificaciónelegida.

Se traza un eje vertical que separe los puntos hallados en igual cantidad a izquierda yderecha. A este eje le corresponde un porcentaje de arena y un porcentaje de piedra querepresenta la mezcla óptima.

1.2.8.1. Estimación del contenido de grava y arena

El contenido de piedra y arena por metro cúbico de concreto se calcula de la siguientemanera. Como se tiene el volumen por metro cúbico de concreto del cemento, del agua ydel aire, la suma de estos tres valores restándolos a 1m3, se obtiene el volumen de las

 partículas de agregado (piedra + arena). Conocido el volumen de agregados y calculada laPeso específico promedio de los mismos, puede determinarse la masa de la piedra y dela arena.

El peso específico promedio de agregados es un promedio ponderado con base en los porcentajes obtenidos del cuadro granulométrico; se calcula por medio de la expresión 1 1.6u 11.7. La expresión 1 1.6 se utiliza cuando la diferencia entre las densidades de la arena y

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de la piedra es grande, mientras que si los valores son parecidos, caso muy frecuente, puedeutilizarse la fórmula 1 1.7.

)()(%)()(%

)()(

df   x g dg  x f  

df   xdg dprom

+

= 11.6

)()(%)()(% dg  x g df   x f  dprom += 11.7

Siendo:

dg = Peso específico aparente de la gravadf = Peso específico aparente de la arenad prom = Peso específico aparente promedio%f = Porcentaje de la arena, en forma decimal

%g = Porcentaje de la piedra, en forma decimal

Con los datos anteriores se tienen ya la totalidad de los ingredientes de la mezcla para 1 m3

de concreto.

De otra parte se tiene que

(d prom) x (Vt) = Wt. 11.8

donde:

Wt = masa total de agregados por m3 de concretoVt = volumen total de agregados por m3 de concreto

O sea que:

Wp = (Wt) x (%p),

de donde se tiene que el peso de la piedra (Wp ) será:

Wp = (d prom) x (Vt) x (%p) 11.9

y por consiguiente la de la arena (Wf), será:

Wf= (d prom) x (Vt) x (%f) 11.10

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1.2.8.2. Ajuste de la cantidad de agua de mezclado debido a la humedad de losagregados

Las partículas de agregado, debido a la porosidad de los granos, siempre tendrán algún

grado de humedad, recordándose que el secado total se logra únicamente mediante unhorno a 110°C las 24 horas. De otra parte la estimación de la cantidad de agua de mezclado,se hizo tomando como base que los agregados están en condición sss, lo cual nose logra sino en el laboratorio.

En consecuencia, con respecto a la condición sss, siempre tendrá un exceso de agua (agualibre) o un defecto, cantidad que no es independiente del agua de mezclado y por lo tanto sedebe o restarle la cantidad de exceso o sumarle la cantidad en defecto.

Para determinar el sobrante o faltante de agua se puede utilizar la siguiente expresión.

A = M ( H ± Abs) 1.11

De donde

A = Agua en exceso o defecto respecto a la condición sss.M = Peso de la muestra seca, en kg

H = Humedad del agregado en tanto por unoAbs = Absorción del agregado en tanto por uno

Cuando la humedad es mayor que la absorción, indica que el agregado tiene agua en excesoy está aportando agua a la mezcla, de tal forma que hay que restarle agua a la mezcla y por lo tanto se debe usar el signo menos (-). Por el contrario, cuando la absorción es mayor quela humedad indica que el agregado necesita más agua para llegar a la condición sss,entonces hay que agregarle agua a la mezcla puesto que hay defecto de ésta, por lo tantohay que usar el signo positivo (+).

1.2.8.3. Ajustes a las mezclas de prueba

El diseño explicado anteriormente para calcular las proporciones de los diferentesmateriales que componen el concreto, permiten conocer unas cantidades que teóricamente producen un concreto con las propiedades deseadas. Sin embargo, existen algunos factoresde los materiales que no se detectan en los ensayos y que traen como consecuencia un

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concreto con propiedades algo diferentes a las esperadas. Por esto es necesario comprobar las cantidades teóricas por medio de mezclas de prueba La mezcla de prueba se debeefectuar de acuerdo con la norma. A dicha mezcla se le verifica el peso unitario y elrendimiento volumétrico del concreto (Norma ASTM C 1 38) así como el contenido de

aire. También se debe observar que el concreto tenga la trabajabilidad y el acabadoadecuado y que no se presente exudación ni segregación. De acuerdo a ello, se puede llevar a cabo los ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes siguiendoel procedimiento sugerido por el ACI y que se indica a continuación:

• Se estima de nuevo la cantidad de agua de mezclado necesaria por metro cúbico deconcreto, dividiendo el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba entre elrendimiento de la mezcla de prueba en metros cúbicos. Si el asentamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o se disminuye la cantidad estimada de agua en 2 kg por cada centímetro de aumento o disminución del asentamiento requerido.

• Si el contenido de aire que se obtuvo no es el deseado (para concreto con aire incluido), seestima nuevamente el contenido de aditivo requerido para el contenido adecuado de aire, yse aumenta o se reduce el contenido de agua de mezclado indicando en el párrafo (a) en 3kg / m3 por cada 1 % de contenido de aire que deba disminuirse o aumentarse en la mezclade prueba previa.

• Se calculan los nuevos pesos de la mezcla partiendo de la elección de la relación agua/cemento. Si es necesario, se modifica el volumen de agregado grueso mostrado en la tabla 11.9. (ver anexos) con el objeto de lograr una trabajabilidad adecuada.

1.2.8.4. Cálculo del peso unitario y rendimiento volumétrico

El peso unitario del concreto consiste en determinar el volumen del concreto producido a partir de una mezcla de cantidades conocidas de los materiales componentes con el fin deverificar la correcta dosificación y rendimiento de los materiales. El peso unitario sedetermina por medio de la expresión 11.15 y el rendimiento volumétrico por la 11.16.

W= (Wmat. + recip-Wrecip) / Vrecip (kg/m3) 11.15

Donde

W= peso unitario del concretoWmat.+recip. = peso de la mezcla fresca + peso del recipiente de medidaWrecip. = peso del recipiente de medidaV= Volumen del recipiente de medida

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)3(

1

mW 

W Y  = 11.16

Donde:

Y= volumen de concreto producido por dosificación (rendimiento volumétrico)W= peso unitario del concretoW1= peso total de todo el material dosificado(W1 = Wagreg. + Wcemento +Wagua)

1.3 ENSAYOS DEL CONCRETO

1.3.1 ENSAYO DE CONSISTENCIA/ASENTAMIENTO (Slump)

La medida del asentamiento mediante el cono de Abrams, aunque es el más antiguo de los procedimientos de control, todavía constituye el primero de los ensayos para verificar por muestreo las mezclas de concreto, antes de fundirlas.

1.3.1.1. ELEMENTOS

a) MOLDE. (Cono de Abrams)

De forma tronco – cónica, con base de 20 cm de diámetro, el extremo superior de 10 cms yaltura de 30 cm.

El molde puede ser de metal u otro material liso no absorbente e inatacable por el concreto, provisto de dos estribos en la base inferior para que el operario pueda sujetarlo con los piesdurante la fase de llenado y dos agarraderas en la parte alta, para extraerlo verticalmente.

b) VARILLA DE COMPACTAR.

De acero, lisa, de 0.60 cm de longitud y 16 mm de diámetro (5/8”) con el extremo decompactar terminado en semiesfera.

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c) BASE.

Para apoyar el molde, puede ser metálica o de cualquier material desde que sea plana,

impermeable, lisa, rígida y este debidamente húmeda y nivelada al hacer el ensayo.

1.3.1.2. PROCEDIMIENTO

Incluye las fases de toma de muestra, llenado del molde, compactación, nivelación,desmoldeada y medición.

a) TOMA DE LA MUESTRA.

Se toman 3 porciones distintas de concreto, que no sean precisamente al iniciar o alconcluir la descarga del camión y se remezclan debidamente para llenar el molde.

b) LLENADO DEL MOLDE

Se realiza en tres capas, de respectivamente 1/3 del volumen del cono.

c, d, e) COMPACTACIÓN

Cada capa, una vez colocada, debe apisonarse con 25 golpes de varilla, dados desde la periferia hacia el centro del molde, en forma de que esta penetre algo dentro de la colocadainmediatamente antes.

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f) NIVELACIÓN.

La última capa se echa con un cierto exceso de mezcla el cual se elimina, una vezcompactada, enrasándola con el borde superior del molde, pudiendo utilizar para tal efecto

la misma varilla.g) RETIRO DEL MOLDE.

En un lapso de 5 + 2 segundos, el cono se retira alzándolo verticalmente en forma continua,sin efectuar ningún movimiento lateral o de torsión que de forme la muestra, pues en casode que ocurriese sería necesario repetir el ensayo.

h) MEDICIÓN.

El descendimiento experimentado por el hormigón se mide por la diferencia entre la altura

del molde y la de la mezcla asentada, para lo cual se coloca la varilla horizontalmente sobreel borde superior del mismo y se toma en sentido vertical la distancia al punto mas alto delconcreto asentado, con una aproximación de 0,5 cm (1/4”).

1.3.2 ENSAYO DE CILINDROS

Así como la prueba del asentamiento ( slump) del hormigón fresco es básica para verificar las mezclas en cuanto a su consistencia para su recibo en la obra el ensayo de cilindrostomados en ésta y fallados a la compresión a diferentes edades, es el método usual decontrol técnico, o sea de la calidad de los concretos.

1.3.2.1. ELEMENTOS

Los elementos del ensayo de cilindros a la compresión simple son:

a) MAQUINA / PRENSA

El equipo debe reunir, de acuerdo con las normas, una serie de condiciones relativas a lacapacidad y velocidad de incremento de la carga, las características de los platos, el sistemade lectura y los cuadrantes, cuya verificación compete propiamente el laboratorio, mientrasque para efecto del control único de la obra seria conveniente constatar al menos la

 periódica calibración de la prensa.El certificado de calibración no debiera datar de mas de un año, ya que el patronamiento delequipo permite afinar los resultados y minimizar las distorsiones que pueden producirsecuando lleva mucho tiempo trabajando.

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b) MOLDEDe forma cilíndrica 15cm + 2 mm de base por 30 + 2 mm de altura, abierto por sus dosextremos, con las paredes interiores lisas, de metal u otro material no absorbente,impermeable e inacatable por el concreto, siempre y cuando tenga iguales medidas y

cumpla tales condiciones, como por ejemplo: cartón parafinado, plástico o poliuretano.Cada vez que se utilice el molde metálico para preparar un cilindro, deberá limpiarse concepillo metálico si fuere necesario, para eliminar cualquier adherencia de materialesextraños y protegerse con una capa de aceite, quedando así listo para fundir un nuevoespécimen.

c) VARILLA COMPACTADORAIdéntica a la utilizada para el ensayo de consistencia con el cono, o sea lisa, de 0.60m delongitud, 16mm de diámetro (5/8”) con un extremo de compactar redondeado.

d) BASEDe cualquier material desde que sea lisa, resistente, no absorbente y se encuentre nivelada.

e) MATERIAL PARA EL REFRENTADOPlatinas con empaque de goma.

1.3.2.2. PROCEDIMIENTO El proceso del ensayo conlleva las siguientes operaciones:

a) VACIADOLa mezcla para elaborar los cilindros se vacía sobre el molde, en tres capas de 0.10 cm, de

altura cada una, las cuales se compactan con 25 golpes de varilla dados desde la periferiadel molde hacia el centro procurando, en el caso de la capa intermedia y superior, que lavarilla penetre algo en la capa inmediatamente inferior.Si se presentan varios cilindros se coloca la primera en todos, luego la segunda y asísucesivamente y al terminar el llenado, puede golpearse el borde del molde con la varilla para mejorar la compactación de las muestras.

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b) REPOSO

Los cilindros se mantendrán un día sobre una superficie horizontal rígida, libre devibraciones, impactos o de cualquier agente que pueda alterarlos, evitando que pierdan

humedad por asoleamiento, viento o exposición al calor.

c) DESMOLDEADA

Se realiza luego de 20 + 4 horas, abriendo el molde y extrayendo el cilindro sin utilizar  palancas, ni aplicar golpes.

d) REFRENTADO

Esta operación, según se ha visto, consiste en cubrir los dos extremos del cilindro con unmaterial adecuado para proveerlo de dos caras lisas, paralelas entre sí, perpendiculares aleje de la pieza, para garantizar la uniforme distribución de la carga y con ello la axialidaddel esfuerzo de compresión.

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e) ROTURA

El incremento de la carga del ensayo puede elevarse hasta producir la falla del cilindro o sufranca rotura.

Por esta razón es necesario detectar antes de proceder al ensayo las eventuales fallas que presenten los cilindros como fisuras, huecos, irregularidades, las cuales deberán anotarse para tenerlas en cuenta al evaluar los resultados.

OBSERVACIONES

•   Ritmo de carga: Debe aplicarse continuamente y sin impacto, en maquinasoperadas hidráulicamente la carga debe aplicarse a un ritmo constante entre 20 y 50libras por pulgada cuadrada por segundo, en la aplicación de la primera mitad de la

carga máxima debe permitirse un ritmo mas alto de carga.

• Calculo de la resistencia: la resistencia a la compresión del cilindro se calculadividiendo la carga máxima soportada por el cilindro durante el ensayo por el áreatransversal promedio. La resistencia se expresa con la aproximación de lbs/pulg2 okgf/cm2.

 Area

 Pmáx fc =

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2. DISEÑO

Diseñar

La dosificación de los materiales optima, para elaborar una muestra de prueba, con lo cualse elaborarán 3 cilindros por edad, para reventar a los 3, 7 y 28 días respectivamente.

Datos de la obra

OBRA Reconstrucción Puente Jorge Eliecer  

Gaitan.ITEM Pilotes en concreto reforzado.DIMENSIONES Espaciamiento del acero 10 cms.GRADO DE EXPOSICION Suave (Cúcuta).RESISTENCIA A LOS 28 DIAS F'c = 245 kg/cm2 (3500 psi)RESISTENCIA ACERO DE REFUERZO Fy 60000 psiGRADO DE CONTROL DE LA OBRA BuenoMETODO DE VIBRACION Vibrador eléctrico.

Datos de los materialesDe los materiales disponibles para elaborar el concreto se conoce:

 Del agregado grueso proveniente de la trituradora Saenz.

1. Granulometría

ENSAYO GRANULOMETRICO

TAMIZ PESO RETENIDO % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO % PASA

3" 0 0 0 100

2" 0 0 0 100

1"1/2 0 0 0 100

1" 33 0,4125 0,4125 99,5875

3/4" 802 10,025 10,4375 89,5625

1/2" 4720 59 69,4375 30,5625

3/8" 1859 23,2375 92,675 7,325

#4 575 7,1875 99,8625 0,1375

FONDO 5 0,0625 99,925 0,075

SUMATORIA 7994 99,925

• TMA = 1"

• TMN = 3/4"

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2. Peso Unitario

• Peso Unitario Compactado (PUC): 1578.65 Kg/mt3

• Peso Unitario Suelto (PUS) : 1422.48 Kg/mt3

3. Peso específico y absorción

• Peso específico aparente: 2.551 gr/cm3

• % de absorción: 1.1475 %

• % Humedad Natural: 0%

4. Resistencia al desgaste: 31.2%

 Del agregado fino .

1. Granulometría

ENSAYO GRANULOMETRICO

TAMIZ PESO RETENIDO % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO % PASA

3/8" 0 0 0 100#4 0 0 0 100

#8 3 0,6 0,6 99,4

#16 17 3,4 4 96

#30 84,5 16,9 20,9 79,1

#50 348,5 69,7 90,6 9,4

#100 30,5 6,1 96,7 3,3

#200 10 2 98,7 1,3

FONDO 2,5 0,5 99,2 0,8

SUMATORIA 496 99,2

• MF = 2.128 finura media

• TM = # 4

• TMN = # 16

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2. Peso Unitario

• Peso Unitario Compactado (PUC): 1654.79 Kg/mt3

• Peso Unitario Suelto (PUS) : 1539.20 Kg/mt3

3. Peso específico y absorción

• Peso específico aparente: 2.5508 gr/cm3

• % de absorción: 1.9409 %

• % Humedad Natural: 8.10%

%H = PH-PS/PS-PM, donde: PH = peso húmedo del agregado en el molde (298.5 gr)PS = peso seco del agregado en el molde (283.5 gr)PM = peso del molde ( 98.5 gr)

4. La colorimetría = 2 ( factor Gardner color amarillo)

Procedimiento de dosificación:

1. Elección del asentamiento:

Con base en la tabla 11.1 se puede elegir el rango de asentamiento entre 3.5 y 5.0 cms,como se trata de construcciones en masa voluminosa, se requiere de un grado detrabajabilidad medio con tendencia a ser alto, de tal manera que se puede adoptar unasentamiento de 5.0 cms.

2. Elección del tamaño máximo nominal:

De acuerdo con la granulometría del agregado grueso, se dispone de un TMN 3/4"(19.00mm). según la norma, debe cumplir con el parámetro siguiente:

TMN < 3/4 espacio entre aceros

19.00 mm < 3/4 (100mm)

19.00 mm < 75.00 mm

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3. Estimación del contenido de aire

Los pilotes en concreto reforzado no estarán expuestos a ambientes agresivos ni a ciclos de

congelamiento y deshielo, sino por el contrario a un clima suave. En cuanto a la estimaciónde la cantidad total de aire, de la tabla 11.3 para una TMN de 19.00 mm (3/4"), se tiene unacantidad aproximada de 3.5%.

4. Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a)

Para un TMN de 19.00 mm (3/4"), se tiene un asentamiento de 5.0 cm y concreto sin aireincluido, se tiene de la tabla 11.4 185 kg/m3.

Elección de la relación agua/cemento (a/c)

La elección de la relación agua/cemento depende básicamente de la resistencia y ladurabilidad, teniendo una resistencia promedio f'c = 245 kg/cm2, se tiene que por medio dela siguiente formula f'cr = 245 + 85 = 330 kg/cm2 se ha obtenido el valor de la resistenciaa los 28 días, y para un concreto sin aire incluido, haciendo uso de la gráfica 11.3 se tieneuna relación agua/cemento de 0.42.

5. Cálculo del contenido de cemento.

Con la relación a/c elegida y la cantidad de agua, se logra la cantidad de cemento por metro

cúbico de concreto.

C = (185kg/m3)/0.42 = 440.47 kg/m3

El volumen de cemento por metro cúbico de concreto será:

Vc = (440.47 kg/m3)/(3100 kg/m3) = 0.142 m3/m3

6. Verificación de las especificaciones granulométricas.

 Del agregado grueso

Haciendo uso de la tabla 11.7 se puede observar que se trabajara con tamices de 25.40 a4.76.

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Tamiz Porcentaje que pasa recomendadomm Pulg Limite inferior Limite superior  

Porcentaje que pasalaboratorio

38.10 1 1/2" 100 100 100

25.40 1" 95 100 99.587512.70 1/2" 25 60 30.56254.76 N° 4 0 10 0.1375

Según lo analizado anteriormente las especificaciones granulométricas del agregado gruesocumplen con las recomendaciones dadas en la tabla.

 Del agregado fino

Haciendo uso de la tabla 11.8 se puede observar que:

Tamiz Porcentaje que pasa recomendadomm Pulg Limite inferior Limite superior   Porcentaje que pasalaboratorio9.51 3/8 100 100 1004.76 N°4 95 100 1002.38 N°8 80 100 99.41.19 N°16 50 85 960.595 N°30 25 60 79.10.297 N°50 10 30 9.40.149 N°100 2 10 3.3

Según lo analizado anteriormente en las especificaciones granulométricas del agregadofino correspondientes a los tamices N°16 y N°30 estas no cumplen con lasrecomendaciones dadas en la tabla.

Por tal motivo es necesario elaborar el diseño de la mezcla utilizando el Método RNL.

7. Optimización de la granulometría método gráfico. (ver anexos)

Según la gráfica y con ayuda de la tabla 11.12 se obtuvieron los siguientes datos.

Porcentaje granulométrico del agregado fino: 32.5%Porcentaje granulométrico del agregado grueso: 67.5%

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Estimación del contenido de piedra y arena

9.1 dprom= ecuación 11.7 

dprom= (0.325)*(2550.8 kg/m3

)+(0.675)*(2551 kg/m3

) = 2550.935 kg/m3

9.2 Vt = 1 - (0.142+0.185+0.035) = 0.638 m3/m3

9.3 Wp = ecuación 11.9

Wp = (2550.935kg/m3)*(0.638 m3/m3)*(0.675) = 1098.56 kg

9.4 Wf = ecuación 11.10 

Wf = (2550.935kg/m3)*(0.638 m3/m3)*(0.325) = 528.936 kg

Material Peso Densidad Volumen P.A. Humedad P.A. AsentamientoCemento 440.47 3100 0.142 440.47 354.11Agua 185 1000 0.185 165.023 148.73Aire 0 0 0.035 0 0Triturado 1098.56 2551 0.4306 1098.56 1101.24Arena 528.936 2550.8 0.2073 571.779 636.52PUFC 2252.96

8. Estimación del contenido de piedra y arena en estado húmedo.

Wph = Wp * (1+%H) y Wfh = Wf* (1+%H)

10.1 Wph = 1098.56 kg* (1 + 0) = 1098.56 kg

10.2 Wfh = 528.936 * (1 + 0.0810) = 571.779 kg

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9. Ajuste de la cantidad de agua de mezclado debido a la humedad de los agregados

A = ecuación 11.11

11.1 At = 1098.56 * ( 0 + 0.11475) = 12.6011.2 Af = 528.936 * (0.0810 - 0.019409) = 32.577

Agua de mezclado = 185 kg/m3 + 12.60 kg/m3 - 32.577 kg/m3 = 165.023 kg/m3

10. Ajuste a la mezcla de prueba

• Volumen del molde y volumen total

  V = π . r 2 . h

r = 3"

h= 12"

V = π . (0.762)2 . (0.3048)

V = 0.0055 m3

V = 0.0055 m3 x 10 cilindros

V = 0.0555 m3 cto ⇒ vol. a preparar 

Dosificación de la mezcla de prueba

Material Peso ajustado por  humedad

Volumen Peso muestra

Cemento 440.47 0.0555 24.446Arena 571.779 0.0555 31.733Triturado 1098.56 0.0555 60.970

Agua 165.023 0.0555 9.158

Peso material dosificado 126.307

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11. Ajustes por asentamiento

• Ajuste estipulado : 5.0 cm• Ajuste real : 2.5 cm

• Cantidad de agua para ser añadida a la mezcla: 2.5 cm x 2k = 5.0 kg

• Rendimiento volumétrico : peso material dosificado/pufc• RV = 126.307/2252.96 = 0.056

14.1 Contenido de agua de mezclado

Agua añadida --------------------------- 9.158Agua sumin triturado ------------------ 0.6993 (+)Agua sumin arena----------------------- 1.8080 (- )

=======8.0493

Agua neta ------ 8.0493 / 0.056 = 143.73 kg/m3

Como el asentamiento escogido es de 5cm y el del laboratorio nos dio 2.5cm, entonces 5cm – 2.5cm = 2.5 cm * 2 = 5litros

Agua total = 143.73 + 5= 148.73 kg/m3

14.1.2. Ajuste cantidad de cemento

a/c = 0.42 a= 148.73 c = a / 0.42 c = 354.11 kg /m3

14.1.3. Ajuste cantidad de agregado grueso

Estado Formula PesoTriturado húmedo 60.970/0.056 1088.75Triturado seco (1088.75)/(1+0) 1088.75Triturado sss (1088.75)*(1+0.011475) 1101.24

14.1.4 Ajuste cantidad de agregado fino

Estado Formula PesoArena seco 2252.96-(148.73+354.11+1101.24) 648.88Arena sss (648.88)/(1+0.019409) 636.52

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PROYECCION DE LA RESISTENCIA

 Area

 Pmáx fc =

Area = *r 2 donde r = 3"

Edad (días) Peso ( gr) Pmáx (Kg) Area (cm2) Fc kg/cm2 F'c promedio kg/cm2

3 12800 24300 182.41 133.21

3 12700 29150 182.41 159.80

146.505

7 12850 34600 182.41 189.687 12800 33150 182.41 181.73

185.705

14 12800 46500 182.41 254.9214 12750 47500 182.41 260.40

257.66

28 12800 62500 182.41 342.6328 12800 63300 182.41 347.02

344.82

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CONCLUSIONES

Es muy importante tanto para el técnico como para el ingeniero tener un claro conocimientoen cuanto a como se lleva a cabo los cálculos para obtener un concreto de buena calidad,analizando previamente las condiciones a que estará expuesta la obra, el grado de control,el tipo de obra a realizar y demás datos que se requieran para un minucioso análisis y uncalculo acertado.

Para determinar los diferentes ajustes a cada uno de los materiales involucrados en laelaboración del concreto, se debe tener en cuenta las características obtenidas tanto de laobra como de los diferentes laboratorios realizados antes del diseño de la mezcla.

Para realizar el ensayo de asentamiento es importante tener en cuenta que el suelo en el quesé esta trabajando no absorba agua, que el molde no este completamente seco.

Es indispensable en el vaciado de la mezcla en los cilindros un buen apisonamiento con lavarilla de punta redonda, y además el correcto sacado del aire atrapado mediante suavesgolpes en las paredes de los cilindros.

Al momento de realizar el curado es bueno asegurarse de que a estos no les falte agua,como se vio en el laboratorio todos los cilindros deben quedar completamente sumergidos.

Después de un lapso de tiempo se concluye que la mezcla se hace más resistente al pasar eltiempo.

La resistencia proyectada a los 28 días esta dentro del parámetro del diseño.

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BIBLIOGRAFÍA

Control Integral de la Edificación II Construcción (interventoría de obras) – GERMANPUYANA GARCÍA – BIBLIOTECA DE LA CONSTRUCCIÓN.

Concreto y Mortero, Tecnología, Propiedades Ensayos de Calidad ASOCRETO.

Cartilla José Concreto, Instituto del Concreto ASOCRETO.

Diseño de Mezclas, Enrique Riva López.

Tecnología del Concreto, Enrique Pasquel.