PRUEBAS DE ABRASIÓN EN C,ONCRETO DE ALTA

RESISTENCIA

ING. ANTONIO FLORES BUSTAMANTE ING. FRANCISCO GONZÁLEZ DÍAZ

ING. LUIS ROCHA CHlU M. EN I. ADÁN VkQUEZ ROJAS

UNIVERSIDAD AUT6NOMA METROPOLITANA - AZCAPOTZALCO

ASOCIACION MEXICANA DE LA INDUSTRIA DEL CONCRETO PREMEZCLADO, A.C.

XI ENCUENTRO NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL CONCRETO PREMEZCLADO

Ponencia: Pruebas de abrasión en concreto de alta resistencia

Autores: Ing. Antonio Flores Bustamante Ing. Francisco González DÍaz Ing. Luis Rocha Chiu M. en I. Adán Vázquez Rojas

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco

División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de Materiales

Area de Construcción

Av. San Pablo No. 180 Col. Reynosa México, D.F. C.P. 02200 Tel. 531 8-9089 Fax 5382-3998 Email rcla@correo.azc.uam.mx

ASOClAClON MEXICANA DE LA INDUSTRIA DEL CONCRETO PREMEZCLADO, A.C.

XI ENCUENTRO NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL CONCRETO PREMEZCLADO

Ponencia: Determinación del contenido de cemento en concreto fresco. Ing. Antonio Flores Bustamante Ing. Francisco González Diaz Ing. Luis Rocha Chiu M. en I. Adán Vázquez Rojas Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa - México, D.F. C.P. 02200 Tel. 531 8-9089 Fax 382-3998 Email rcla@correo.azc.uam.mx

Resumen

Este trabajo fue desarrollado en las instalaciones del laboratorio de construcción de la Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco durante el presente ario, para lo cual fue necesario construir un dispositivo con el que se puede determinar el contenido de cemento de concreto fresco mediante la inmersión de una muestra en agua, continuando con un proceso de pesado y lavado consecutivo.

En la primera etapa de las actividades del proyecto se investigó sobre los antecedentes de este tipo de pruebas; en particular, se encontró que en la Gran Bretaña es común realizar pruebas al concreto fresco para cuantificar su contenido de cemento antes de colocarlo, por lo cual se tomaron en cuenta las normas británica BS 1881:128 y la americana ASTM-C-1078-87, en México se detectó su empleo en una obra de protección de taludes. También, se revisaron los equipos disponibles en el mercado que determinan en forma automática el cemento en las mezclas de concreto, pero cuyo costo las hace poco accesibles.

Con la información recopilada en la etapa previa, se construyó un dispositivo para realizar la prueba mediante la inmersión de la mezcla en .agua y su posterior lavado, hasta cuantificar por diferencia de pesos el cemento presente en la mezcla de concreto. En el trabajo se presenta el dispositivo y sus componentes, asi como la descripción de cada una de las partes del experimento y la forma de realizarlo. Cabe destacar que los equipos empleados son los usuales en cualquier laboratorio de pruebas de materiales y los dispositivos adicionales pueden fabricarse fácilmente a muy bajo costo.

La parte central del proyecto consistió en la ejecución de pruebas de laboratorio que determinan el contenido de cemento en mezclas de concreto y la correlación existente con su resistencia a la compresión a los 28 dias. El diseno de las mezclas se hizo para un rango de resistencia entre doscientos y trescientos kilos por centimetro cuadrado, considerando el número de especímenes suficiente para obtener resultados estadisticamente representativos. Al final se presentan los resultados más relevantes del estudio y las conclusiones del mismo.

Septiembre de 2000

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"PRUEBAS DE ABRASI6N EN CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA"

INTRODUCCION

_. El empleo de enormes sumas de dinero en la reparación de estructuras de concreto, en las que se han utilizado resistencias del concreto convencionales, ha llevado a los ingenieros y proyectistas a tomar conciencia de la necesidad de emplear otros parámetros de diseño en los que se consideren características de durabilidad. por ésta razón se ha venido dando un mayor impulso al conocimiento y desarrollo de los concretos de alto comportamiento, los cuales tienen la capacidad de atender requerimientos específicos de los proyectos.

Hoy en día en muchas obras se piden propiedades especiales en el concreto, como: bajo peso volumétrico, resistencia a los sulfatos o agentes químicos diversos, soportar el congelamiento o altas temperaturas, etc. En este contexto, el presente trabajo plantea revisar otras propiedades que atatien al concreto durante su vida útil; en particular, nos abocaremos al estudio de la resistencia a la abrasión en el Concreto de Alta Resistencia (CAR), para lograr este objetivo se ha tomado como referencia la noma ASTM-C-418 (ABRASION RESISTANCE OF CONCRETE BY SANDBLASTING). El método de prueba simula las acciones abrasivac del agua y del tráfico sobre superficies de concreto.

Es común estimar la resistencia al desgaste abrasivo del concreto mediante la correlación con su resistencia a compresión. En este proyecto se compara el desgaste abrasivo en concretos de resistencia normal y de alta resistencia.

Otras investigaciones han encontrado que la resistencia a la abrasión del concreto hidráulico depende primordialmente de la rnicroestructura del concreto más cercano a la superficie.

El presente trabajo, tiene la función de presentar el estado que guarda el concreto de alta resistencia (CAR) en lo que se refiere al desgaste abrasivo en pruebas llevadas a cabo de a cuerdo a la norma ASTM-C-418 'Resistencia a la Abrasión de Concreto Lavado a Presión con Arena".

Se tiene pleno conocimiento que la calidad física de los agregados, la técnica de colocación del concreto, el acabado de la superficie y el tipo de curado influyen directamente en la resistencia al desgaste de los concretos; sin embargo, el alcance de este proyecto no contempla dicha influencia.

MARCO TE6RICO

Definiciones:

Abrasión. - Segun la noma ASTM G-40 sobre denominaciones de términos relacionados con la erosión y la cavitación, define a la abrasión corno el desgaste

3

_--

por desplazamiento de material de la superficie de un sólido debido a partículas duras o protuberancias duras que se deslizan a lo largo de la superficie.

Erosión. - Es el desgaste que se manifiesta como perdida de material de la superficie de un sólido debido al contacto con un fluido que contiene partículas sólidas.

Cavitación. - Es el desgaste de un sólido debido al movimiento relativo de un líquido.

Resistencia a la abrasión

Las superficies del concreto suelen estar sometidas a varios tipos de desgaste abrasivo, tal es el caso de las estructuras hidráulicas en que la acción de los sólidos abrasivos llevados por el agua, generalmente, conduce a la erosión del concreto. Por estas razones es necesario conocer la resistencia a la abrasión del concreto, sin embargo es dificil cuantificar esta resistencia, debido a que la acción perjudicial varía de un caso a otro.

En las pruebas de desgaste, la profundidad del mismo es una muestra de la medida de la abrasión del concreto, las nomas mas empleadas para éstas mediciones son:

9 Prueba de disco giratorio ASTM C779-82 (esta norma describe tres procedimientos de prueba o uso en el campo), la prueba de disco giratorio consta de tres superficies planas que giran en una trayectoria circular a 0.2Hz, cada plato gira sobre su propio eje a 4.7 Hz, se emplea carburo de silicio como material abrasivo entre los discos y el concreto, las pruebas definidas por esta norma son Útiles para determinar la resistencia del concreto por el trafico de peatones, para transito rodante, para ruedas con cadena y para vehículos de tracción.

9 Prueba abrasión con balines de acero ASTM C779-82. Consiste en aplicar una carga sobre una cabeza rodante que se encuentra separada del espécimen por medio de balines de acero, la prueba se lleva a cabo dentro de agua corriente, con el objeto de remover los materiales producto de la erosión.

k Prueba de chorro de aire ASTM C779-82. La tendencia a la erosión por solidos en el agua que fluye se mide por medio de la prueba de chorro de aire, en ésta prueba 200 piezas de acero roto de 850 @m de tamaño (número 20 ASTM), se lanzan bajo presión de aire de 0.62MPa (90 Ib/in2) desde una boquilla de 6.3mm (1/4 in), contra una muestra de concreto a una distancia de 102mm (4 in).

Por otra parte, la prueba de sandblasting, según la norma ASTM 418, describe el procedimiento para determinar el volumen de desgaste por la abrasión del concreto sujeto a la corriente por chorro de aire y arena silica.

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Daríos de la superficie desgastada

Progresivamente ocurre una perdida de masa en la superficie del concreto debido a la abrasión, erosión o cavitación. El término abrasión se refiere a la fricción en seco que ocasiona el desgaste en pavimentos o pisos industriales el trafico vehicular. El término erosión es normalmente usado para describir el desgaste abrasivo ocasionado por la acción de fluidos que contienen partículas en suspensión, tal como ocurre en los revestimientos de canales y en otros tipos de estructuras hidráulicas.

PROGRAMA EXPERIMENTAL

Materiales

En todas las mezclas de concreto se utilizó Cemento Pórtland Puzolanico (NMX-C-41-99), en las mezclas de alta resistencia se uso grava y arena de basalto y en el en el concreto de resistencia normal se empleó arena y grava andesíticas. Además, en el CAR se empleó un aditivo superplastificante Tipo F (ASTM C-494) y otro de tipo mineral (Humo de Sílice). Las características de los agregados utilizados se resumen en la tabla I.

TABLA 7

Diseño de mezclas

Los proporcionamientos de las mezclas del CAR no están basados en el diseño normal de concreto, según el "American Concrete Institute" 21 1 .I (Proporcionamiento de Mezclas), ya que dicha metodología no es válida para este tipo de material. Es preciso señalar que actualmente no existe una metodología que garantice concreto con resistencia arriba de los 80 MPa, por lo que una buena parte del tiempo inicial del proyecto se utilizó en la optimización de los diseños de mezclas para lograr altas resistencias.

En la tabla 2 se muestran las cantidades de los materiales empleados en las diferentes mezclas elaboradas, así como también las resistencias obtenidas en los especimenes cilíndricos, la edad de la prueba de resistencia a la compresión corresponde a 56 días, la experiencia indica que en concretos de alta resistencia es mejor probar a edades avanzadas (incluso a 90 días), esto se debe a que el período normal de 28 días no es suficiente para completar la reacción química del cemento, el agua y los aditivos.

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"ADITIVO B = SUPERPLASTIFICANE

Es importante señalar que al realizar la prueba de resistencia a la compresión la falla típica de un concreto de alta resistencia es frágil, como la que se muestra en la fotografía 1, por ello no es común obtener las fallas normales de un concreto de resistencia convencional.

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Procedimiento

De cada una de las mezclas elaboradas se obtuvieron nueve especimenes cilíndricos y una viga prismática con dimensiones del 5 x 15 x 60 cm. De dichas vigas se extrajeron las probetas para los ensayos de desgaste, para lo cual hubo la necesidad de cortarlas (fotografía 2) con espesores de 5 cm. en cada una de las vigas se tomaron tres probetas en forma repartida.

Fotografía # 2

La norma ASTM (2-418, es un método que establece la determinación de las características de resistencia a la abrasión de concreto sujeto al impacto de arena silica. Este procedimiento simula las acciones abrasivac producidas por agua y bajo trafico en superficies de concreto. El efecto ocasionado resulta de una acción cortante que tiende a desgastar los componentes menos resistentes del concreto.

El aparato de chorro de arena (sandblasting) consiste en un dispositivo de tipo inyector. La boquilla mostrada en la fotografía 3 consiste en una barra rolada en frio de 1 1/2 in. (38mm) de largo, esta tiene un orificio de 0.250 f 0.001 in. (6.35 I0.02 mm) a partir del centro. Las paredes de la boquilla tienen 45" de ángulo oblicuo del centro al extremo superior.

7

Fotografía # 3

El aire a presión es suministrado por un compresor de 150 psi y de 250 litros de capacidad. El equipo de sandblasting esta provisto de un regulador de presión, con el cual se establece la presión de trabajo de 60 f I psi. El material abrasivo utilizado es arena silica natural graduada que pasa la malla No. 20 (850-@m) y se retiene en una malla del No.30 (600-@m). El sistema completo del equipo de desgaste se muestra en la fotografía 4.

J

Fotografía no. 4

Los especimenes fueron sumergidos durante 24 horas antes de la prueba, en el momento fueron secados superficialmente para garantizar la condición saturada superficialmente :

seca.

El procedimiento de prueba consistió básicamente, en colocar la probeta en la superficie horizontal y perpendicular al eje de la boquilla a una distancia de 76 f 2.5 mm (ver fotografía 5). El tiempo total de la prueba fue de 15 minutos con pruebas intermedias a cada minuto, en cada prueba intermedia se midió el volumen del desgaste con arcilla

8

moldeable. El peso de la arcilla fue utilizado para determinar el volumen de desgaste para cada prueba intermedia, empleando el peso específico de la arcilla moldeable como 1 .61gr/cm3.

Fotografía no. 5

La fotografía 6 muestra la forma de la superficie desgastada de una de las probetas analizadas, la imagen fue tomada con una cámara digital con diez aumentos.

Fotografia 6

RESULTADOS

Las siguientes tablas muestran el volumen de desgaste en cm3 de las mezclas de concreto que fueron diseñadas con los datos que aparecen en la tabla 1.

9

Nota: R : Resistencia a la compresión del concreto [MPa]

Tabla 2. Resultados del volumen de desgaste [cmg de las pruebas de abrasión.

Vol. Desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Tiempo R=20 R = 25 R = 30 R = 87.2 R = 88.3 R = 90.5 minutos Mezcla 200 Mezcla 250 Mezcla 300 Mezcla CB-14 Mezcla CB-7 Mezcla CB-I'

1 3.19 2.45 3.58 1.52 0.71 1.20 2 5.60 5.33 6.83 3.09 1.60 2.43 3 7.69 9.20 8.91 3.86 2.41 3.46 4 10.19 12.15 10.78 4.91 3.31 4.92 5 12.34 15.39 12.14 5.68 4.18 6.4 6 15.16 17.91 14.47 7.19 5.36 7.86 7 18.18 19.68 16.37 8.42 6.28 9.22 8 20.00 21.54 18.52 9.33 7.52 10.61 9 22.08 23.70 20.28 10.59 8.64 11.92 10 24.96 26.05 21.86 11.84 9.78 13.15 11 27.14 28.17 25.24 13.50 11.23 14.54 12 30.43 30.3 28.00 14.94 12.46 15.85 13 33.58 32.2 29.98 16.14 13.96 17.07 14 35.81 33.89 32.12 17.32 15.20 18.50 15 38.71 35.94 34.15 18.44 16.54 19.86

Tabla 3.

Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Tiempo R = 90.8 R = 91.7 R = 92.2 R = 93.0 R = 95.1 R = 97.5 minutos Mezcla CB-8 Mezcla CB-13 Mezcla CB-12 Mezcla CB-9 Mezcla CB-25 Mezcla CB-17

1 1.43 1.78 0.87 1.22 2.12 1.15 2 3 4 5 6 7 8 .9 10 11 12 13 14

2.58 3.92 5.07 6.28 7.45 9.07 10.68 12.32 13.4 14.88 15.87 16.78 18.08

3.64 5.54 7.34 8.98 10.54 12.18 13.54 15.46 17.39 19.16 20.92 22.72 24.44

1.57 2.54 3.55 4.41 5.16 5.91 6.83 8.06 8.83 9.45 10.2 10.92 11.67

2.75 4.09 5.2

6.35 7.37 8.75 9.99 11.3 12.4 13.86 15.09 16.63 18.00

4.01 5.6 7.45 9.17 10.79 12.18 13.03 14.78 16.31 17.94 19.62 20.58 21.88

1.84 2.84 3.69 4.40 5.47 6.72 7.49 8.16 8.67 9.98 11 .O8 12.00 13.00 I 15 19.19 26.26 12.28 19.32 23.74 14.07

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Tabla 4.

Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Tiempo R=99 R = 99.4 R = 10.15 R = 10.43 R = 10.45 R = 10.65 minutos Mezcla CB-15 Mezcla CB-26 Mezcla CB-10 Mezcla CB-28 Mezcla CB-21 Mezcla CB-19

1 0.64 I .23 0.69 1.63 1 .o9 1.20 2 1.20 2.47 0.92 3.40 2.15 2.15 3 1.76 3.40 1.45 4.96 3.27 3.24 4 2.26 4.55 2.16 6.47 4.54 4.18 5 2.8 6.02 2.98 8.21 5.39 5.01 6 3.45 7.45 3.96 10.02 6.60 5.57 7 4.15 8.94 4.73 11.58 8.03 6.25 8 4.91 10.13 5.39 13.18 8.94 6.93 9 5.46 11.52 6.15 14.79 9.95 7.72 10 5.88 12.66 6.67 16.41 10.87 8.32 1 1 7.05 14.05 7.00 18.13 12.11 9.11 12 7.89 15.16 7.66 19.78 13.15 10.02 13 8.80 15.92 8.36 21.69 14.29 10.72 14 10.02 16.69 9.00 23.06 15.42 11.53

I 15 1 1.28 17.45 9.8 24.72 16.50 12.31 I

Tabla 5.

Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgaste Vol. desgastr Tiempo R = 10.86 R = 10.99 R = 11.08 R = 11.18 R = 11.32 R = 11.37 minutos Mezcla CB-18 Mezcla CB-20 Mezcla CB-5 Mezcla CB-24 Mezcla CB-6 Mezcla CB-27

1 1.17 0.42 0.42 1.64 0.84 1.77 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13 14

2.48 3.6 4.82 6.07 7.34 8.70 10.04 11.17 12.51 13.34 14.23 15.56 16.65

0.91 1.54 2.53 3.32 4.1 1 4.82 5.53 6.13 6.54 7.65 8.78 9.63 10.22

0.97 1.42 1.87 2.33 2.66 2.92 3.32 3.67 3.97 4.43 9.02 9.39 9.78

2.88 3.77 4.83 5.52 6.24 7.22 7.90 8.62 9.36 10.71 11.51 12.34 13.31

I .64 2.26 2.76 3.24 4.08 5.10 5.42 5.79 6.50 7.75 8.93 10.12 11.25

3.46 5.43 7.21 8.92 10.61 12.52 13.96 16.00 17.37 18.54 20.36 22.17 23.87

I 15 17.42 10.61 10.14 13.86 12.50 25.64 1

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En la Gráfica de Volumen de desgaste en función del tiempo se observa, en general, que a menor resistencia a la compresión del concreto el desgaste es más rápido; por ejemplo, en concreto de 20 Mpa el desgaste es cuatro veces mayor que en concreto de 100 Mpa.

40

I 35

30 .F E <4 5 25

c m

Y - g. 20 ID

U

U m

E 15

- I S I 10

5

¡ o

Gráfica de Vdumen de -e en fundbi del tiempq para mncretos de diverss redstmdas

f

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 !

Tiempo [minutos)

La Tabla 6 (Porcentaje de desgaste de las mezclas de concreto) presenta el resumen de las mezclas, la resistencia a la compresión y el porcentaje de desgaste, tomando como valor máximo (100%) la probeta que tuvo el mayor valor de desgaste, calculando en forma proporcional a dicho valor los porcentajes de desgaste de las otras mezdas. El Gráfico de porcentaje de desgaste presenta la relación entre resistencia a la compresión y porcentaje de desgaste.

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Tabla 6. Porcentaje de desgaste de las mezclas de concreto. Identificación Resistencia a Volumen de desgaste % de desgaste de la mezcla la compresión [MPa] [cm31

CB-27 113.7 25.64 66.24 CB-6 113.2 12.50 32.29 CB-24 111.8 13.86 35.80 CB-5 110.8 10.14 26.19 CB-20 109.9 10.61 27.41 CB-18 108.6 17.42 45.00 CB-19 106.5 12.31 31.80 CB-21 104.5 16.50 42.62 CB-28 104.3 24.72 63.86 CB-1 O 101.5 9.80 25.32 CB-26 99.4 17.45 45.08 CB-I5 99.0 11.28 29.14 CB-17 97.5 14.07 36.35 CB-25 95.1 23.74 61.33 CB-9 93.0 19.32 49.91 CB-12 92.2 12.28 31.72 CB-13 91.7 26.26 67.84

CB-11 90.5 19.86 51.30 CB-7 88.3 16.54 42.73

CB-30 30.0 34.15 88.22 CB-31 25.0 35.94 92.84

CB-8 90.8 19.19 49.57

CB-14 87.2 18.44 47.64

CB-32 20.0 38.71 100.00

Gráfico de porcentaje de desgaste en función

al a m

U

Y

B p” o g e n

de la resistencia a la compresión del concreto 100 - 90 - 80 ~

70 ~

60 - 50 - 40 - 30 - 20 - 10 ~

O

-

O 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200

Resistencia a la compresión del concreto [MPa]

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CONCLUSIONES

El objetivo del presente trabajo es el estudio del desgaste abrasivo en concreto de alta resistencia, para lo cual se requirió hacer un análisis comparativo de las características fisicas de concreto de baja resistencia (o resistencia normal) con el concreto de alta resistencia, inicialmente podemos mencionar que un concreto de alta resistencia es aquel cuya resistencia a la compresión es mayor o igual a 50 MPa, mientras que un concreto de resistencia normal es menor de 40 MPa. para poder realizar este estudio se prepararon diversas mezclas con diferente composición y tipo de agregado.

Es importante mencionar que la resistencia a la abrasión es un parametro dificil de cuantificar, algunos autores la relacionan con la profundidad desgastada de una superficie, otros como la longitud de zurcos de desgaste, en particular nosotros cuantificamos la resistencia a la abrasión como el volumen de desgaste, ya que un volumen es más representativo que una profundidad o una longitud de la marca de desgaste.

Algunos investigadores [2] mencionan que la resistencia a la compresión no es una medida sensible de la resistencia a la abrasion. considerando que ambos parámetros tienen poca relación. En otras referencias [1,3.4] se menciona que la resistencia a la compresión tiene efecto significativo sobre la resistencia al desgaste, en nuestro trabajo hemos encontrado que la resistencia al desgaste por abrasión es al menos 50% mayor en concretos de alta resistencia a la compresión, aunque los resultados presentan una alta variabilidad, pensamos que esto se debe a la naturaleza del método de prueba y a que puede existir una importante influencia de la calidad del agregado grueso presente en el concreto, consideramos que es conveniente evaluar esta variable en trabajos subsecuentes.

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