Propuesta de mejora de concreto usado para revestimiento de túneles (página 2)
Enviado por Miguel Brice�o
Proponer mejora de diseño de mezcla concreto 250 kg/cm2 asentamiento 7" utilizado para el revestimiento final de túneles en el proyecto Ferrocarril centro tramo C-2, Puerto Cabello Estado Carabobo.
Objetivos Específicos
Diagnosticar la materia prima utilizada para la elaboración de concreto premezclado en planta El Cambur mediante ensayos de laboratorio.
Diseñar la mezcla propuesta.
Realizar ensayos de laboratorio a mezcla propuesta.
Analizar resultados de ensayos realizados al diseño de mezcla propuesto.
Elaborar la propuesta de mejora del diseño de mezcla.
- Objetivos de la investigación
Objetivo General
La propuesta es de gran importancia en el ámbito económico debido a que esta propuesta se basa en disminuciones de cemento, que es la materia prima más costosa que conforma el concreto y por consecuencia se lograría un ahorro considerable en los costos por metro cúbico del diseño de mezcla en cuestión.
De la misma manera realizando esta propuesta serviría como patrón de ejemplo para otras plantas involucradas en proyectos de estas mismas características.
Debido a la realización de ensayos y al análisis comparativo a realizar se puede tener una idea clara y certeza de la fiabilidad del resultado final y ponerlo en práctica industrialmente en la obra.
De acuerdo con las políticas de la empresa estaríamos logrando unos de los objetivos más estratégicos desde el punto de vista económico cuando se refiere a los costos mas elevados en una planta de concreto premezclado, como lo es cuando nos referimos a la materia prima más específicamente el cemento. El cemento es el material más costoso en la producción de metro cúbico de concreto.
Al realizar esta propuesta satisfactoriamente estamos asegurando que el diseño propuesto cumplirá con todas las especificaciones y normativas respectivas para la elaboración de concreto premezclado, lo que nos garantizara que el concreto colocado en el proyecto será el exigido por los organismos u organizaciones que solicite el diseño de mezcla de concreto.
En vista a la importancia desde el punto de vista económico, de calidad y organizacional se ha tomado el interés de desarrollar este tema y brindar una mejora del diseño de mezcla a utilizar en el recubrimiento final de túnel del proyecto ferrocarril tramo C-2 Puerto Cabello Estado Carabobo.
- JUSTIFICACIÓN
CAPITULO II
MARCO REFERENCIAL
- Reseña Histórica
Después del descubrimiento del cemento, hecho ocurrido alrededor de 1.850; Candlot (1888), hizo investigaciones acerca de la acción del cloruro cálcico y demostró que variando las dosis se obtenía un efecto retardante o acelerante en el concreto.
La habilidad para conformar las propiedades de la obra, es un reflejo del desarrollo tecnológico que ha tenido lugar en su mayor parte desde los inicios de 1900. El uso de la relación agua/cemento como un medio para estimar la resistencia, se reconoció cerca de 1918.
El impresionante aumento de la durabilidad a los efectos de la congelación y el deshielo como resultado de la inclusión de aire, fue reconocido a principio de la década de los años cuarenta. Estos dos significativos avance; en la tecnología del concreto se ha expandido mediante la investigación exhaustiva y el desarrollo de muchas áreas estrechamente relacionadas, incluyendo el uso de aditivos para contrarrestar posibles deficiencias, desarrollar propiedades especiales o para lograr una mayor economía.
Los primeros aditivos empleados fueron los hidrófugos para confeccionar concretos-más-impermeables; También se ensayo la incorporación de silicato sódicos y diversos jabones para mejorar la impermeabilidad. Ferret, hizo ensayos con gran número de productos finos, inertes o que se hinchaban, así como con condiciones de aceite de linaza y aceite de máquina.
Hacia 1.895, Candlot en Francia y Dickerhoff en Alemania practicaron adiciones de cal grasa con el fin de mejorar la plasticidad, iguales experiencias se llevaron a cabo en los Estados Unidos en 1.906. Los plastificantes fueron comercializados hacia 1.935, estos fueron patentados como aditivos para concreto, sin embargo su comercialización no cobró forma real sino hasta la década de los sesenta. Luego para los mediados de los sesenta y setenta se utilizaron por primera vez en Japón y en Europa los aditivos Superplastificantes; posteriormente se introdujo su uso en los Estados Unidos. En Venezuela llegan los aditivos a finales de los años cuarenta. En la década de los setenta se comienza su fabricación en el país, incorporando' progresivamente mayor proporción de materia nacionales. En la actual tecnología del concreto, los aditivos han perdido su carácter misterioso y con ellos se pueden obtener concretos de mayores exigencias.
En el país se han venido utilizando estos aditivos, en obras de gran magnitud tales como son: La Represa Raúl Leoni, La Represa de Turimiqldre, la Planta Hidroeléctrica Uribante-Caparo y el metro de Caracas entre otras.
Ojeda, I (2001) quien realizó el Trabajo de Grado que lleva por titulo Manual para Ingeniero Residentes en Construcción Tipo Túnel en la ciudad de Maracay. Realizó este trabajo con el propósito de orientar a los Ingenieros sobre el desenvolvimiento en campo de construcciones tipo Túnel, en donde se agrupa información técnica, tanto teórica como práctica, requerida para ejecutar una obra civil, utilizando el Sistema constructivo Tipo Túnel.
Llegando a la conclusión que el uso del sistema tipo túnel, el tiempo requerido para -desencofrar es mucho menor, a al requerido en el sistema de construcción tradicional, por lo que el uso del aditivo superplastificante, permite altos resistencia a tempranas edades. Y recomienda que el concreto puede ser premezclado o preparado en sitio.
El aporte de este trabajo a la presente investigación, es introducir los fundamentos básicos de los ensayos de laboratorio, con énfasis en los métodos de recolección de datos, cálculos y presentación de resultados, indicando métodos prácticos y/o trabajos preliminares, así como algunos equipos necesarios para la ejecución de los trabajos y tomar la experiencia del estudio del concreto especial para estructuras tipo túnel, que tiene características muy similares al concreto que se estudiara en dicha investigación.
Albornoz, R. Y Farias, M. (2000) en su Tesis de Grado Titulado Comportamiento de la resistencia del concreto con el uso de aditivos Superplastificantes. En la ciudad de Valencia, realizó esta investigación con el propósito de analizar el comportamiento de la resistencia del concreto con el uso de dos aditivos reductores de agua de fácil obtención en el mercado. Donde Concluye lo siguiente: Dependiendo de la dosis y; tipo de aditivo la resistencia a las 24 horas se incrementan entre un mínimo del 14 por ciento y un máximo del 78 por ciento; a los 3 días entre un 32 por ciento y un 45 por ciento; a los 23 días entre un 10 por ciento y un 27 ciento. Llegándose a suponer que en el caso de necesitar resistencias elevadas a edades temprana, el uso de aditivos Superplastificantes es muy recomendable. En dicha investigación se utilizó la metodología de observación, recolección de datos, entrevistas, análisis de la información y revisión bibliográfica.
Recomendando en su trabajo realizar estudios del comportamiento de las mezclas de concreta dosis superior de aditivos, pues es de esperarse que llegando a una dosis determinada, la mezcla de concreto se ve afectada desfavorablemente tanto en resistencia, como en asentamiento, por el exceso de dosificación.
El aporte de este estudio a la presente investigación, fue la forma de cómo evaluaron la materia prima a utilizar en este concreto y de la misma manera conocer la el comportamiento de los aditivos reductores de agua y plastificantes. En dicha investigación se utilizó la metodología de observación, recolección de datos, entrevistas, análisis de la información y revisión bibliográfica.
Barcala M. (2004). En su trabajo especial de grado titulado Estudios comparativo entre la piedra picada caliza y el canto rodado triturado, en mezclas de concreto de f'c = 250Kg/cm2, realizado en la cuidad de Maracay, con la necesidad de buscar nuevos materiales que permitan la permanencia y subsistencia de la actividad de la construcción, a menores costos pero. Exigiendo un máximo de calidad que afecte la seguridad de la obra proyectada. Es por ello que el objetivo primordial es el de evaluar el comportamiento de los cantos rodados frente a la piedra picada, para un concreto de resistencia definida, a fin de poder establecer posibles limitaciones y aplicaciones de este tipo de mezcla en la construcción de la región, llegando a la conclusión de que el canto rodado es de más fácil obtención y menor costo que la piedra picada caliza, cuya adquisición acarrea serios problemas ambientales y produce un aumento en los costos.
Una de las recomendaciones dada es que siempre que se realice un concreto, ya sea de resistencia altas o bajas y sin importar la magnitud de la de la obra a ejecutar, deberán, chequearse y cumplirse fielmente todas y cada una de las normas establecidas por la Comisión Nacional Venezolana (COVENIN) a fin de obtener resultados reales y confiables que garanticen la seguridad de los usuarios.
El aporte de la presente investigación es la aplicación de los fundamentos de análisis para realizar las comparaciones en costos de los diseños de mezclas utilizados y propuestos.
Fuente M. (2001). Quien realizó su trabajo especial de grado titulado Estudio comparativo de los superplastificantes para concreto. en la cuidad de Valencia quien realizó esta investigación con el propósito de analizar el comportamiento para concreto para los diferentes reacciones agua/cemento y en las diferentes dosificaciones del 0,5 por ciento, 1,0 por ciento y 1,5 por ciento del peso del cemento. Llegando a la conclusión que al observar el asentamiento para las dosis de 1,5 por ciento, se presento poco incremento de asentamiento.
Fuentes recomienda que se debe determinar la dosis de aditivos más recomendable a usar, para lograr una determinada característica en la mezcla de concreto y se debe tener presente en el momento de la elaboración del concreto, los factores que afectan la dosis óptima, como la cantidad de cemento, granulometría, temperatura, etc.
El aporte de este trabajo a la presente investigación, es adquirir información de datos en cuanto a las dosificaciones óptimas de aditivos en mezclas de concreto y así mismo el comportamiento de la relación agua – Cemento en las mezclas.
Bases Teóricas
El concreto por ser uno de los materiales más utilizados y de mayor eficiencia e importancia estructural, además de ser uno de los más cuestionados y relativamente complejos, por el número de parámetros que tienen influencia sobre él, se exige el desarrollo de materiales y aditivos de mayor eficiencia.
En tal sentido, Abadi, E. (1990), es su obra Concreto Precomprimido nociones y práctica, define el concreto de la siguiente manera:
Es una mezcla de cemento, agregados, agua y en algunos casos, aditivos, sirviendo los agregados como elementos de relleno, el agua con el cemento la pasta aglomerante y los aditivos como elementos mejoradores de la calidad… (p.129)
Las características limitantes del concreto, resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, durabilidad química, permeabilidad, resistencia a la abrasión, retracción, calor de hidratación, entre otras, dan idea de la necesidad de mejorarlas para obtener un concreto de alta calidad.
Resistencia y mecanismo de falla del concreto.
Merrit, F. (1992), Manual del Ingeniero Civil, señala:
La resistencia es una propiedad del concreto que, casi siempre, es motivo de preocupación. Por lo general, se determina por la resistencia final de una probeta en compresión; pero, en ocasiones por la capacidad de flexión o tensión. Como el concreto suele aumentar su resistencia en un periodo largo, la resistencia a la compresión a los 28 días es la medida más común de esta propiedad. (p.8-3)
El concreto como masa constituida por materiales heterogéneos, está sujeto a la influencia de numerosas variables. Las variables de las características de cada uno de los componentes del concreto pueden ocasionar cambios en su resistencia y en otras propiedades. Entre estas, se tiene presente diferencias en la dosificación, mezclado, colocación, curado, entre otras.
Por otra parte, la existencia de vacíos es un parámetro que tiene una gran influencia en la resistencia del concreto y que puede ser relacionada con el mecanismo de falla, para establecer esta relación se considera el concreto un material frágil, aunque presente una cantidad de acciones plásticas, ya que la fractura bajo cargas estáticas ocurre a una deformación moderadamente baja.
La resistencia de la pasta de cemento o de cualquier material similar como la piedra es más baja que la teórica calculada, en base a la cohesión molecular y considerada a partir de la energía superficial de un sólido que se supone perfectamente homogéneo y sin fallas.
No obstante, Porrero, J. (1996), establece y afirma que esta diferencia se puede explicar por la existencia de defectos postulados por Griffith. Tales defectos conducen a altas concentraciones de esfuerzos de volúmenes muy pequeños del espécimen, lo que causa fracturas microscópicas mientras que el esfuerzo nominal promedio en toda la muestra es comparativamente bajo. (Pág. 9)
Estos defectos varían en tamaño y solo unos cuantos de los más grandes son los que causan la falla, por lo que la resistencia de espécimen es un problema de probabilidad estadística y el tamaño del mismo afecta el esfuerzo nominal probable en el que se observa la falla.
Es conocido que la pasta de cemento presenta numerosas discontinuidades (fisuras, poros y cavidades), pero aun no se conoce el mecanismo mediante el cual éstas afectan la resistencia. Las cavidades en si no actúan necesariamente como defecto, aunque los daños pueden ocurrir en las grietas individuales relacionadas con ésta, o bien por contracción o mala adherencia.
En el concreto no segregado las cavidades se distribuyen de manera aleatoria, condición necesaria para la aplicación de las hipótesis de Griffith. Aunque no se conoce el mecanismo exacto de ruptura del concreto, es probable que se relacione con la adherencia dentro de la pasta de cemento y entre la pasta y el agregado.
La hipótesis de Griffith postula que existen fallas microscópicas ubicadas donde hay defecto y supone que la "unidad de volumen" que contenga el defecto más débil es la que determina la resistencia del espécimen de concreto. Este enunciado implica que cualquier grieta se esparcirá por toda la sección del espécimen sujeto a determinado esfuerzo, en otras palabras, un incidente que tiene lugar en un elemento, se identifica con el mismo incidente que ocurre en el cuerpo del espécimen como un todo.
Debido a que una fractura local se inicia en determinado punto y es gobernada por las condiciones que en él prevalezcan, el hecho de conocer los esfuerzos en el punto altamente esforzado del cuerpo mencionado no es suficiente para pronosticar en una falla. También es necesario conocer la distribución de esfuerzos en un volumen de extensión suficiente alrededor de ese punto, ya que la respuesta de deformación dentro del material, especialmente cerca de la falla, depende del comportamiento y estado del material que rodea al punto critico; con lo cual la posibilidad de expansión de la falla se ve fuertemente afectada por tal estado.
La hipótesis de Griffith se aplica a fallas causadas por la acción de fuerzas de tensión, pero se puede extrapolar a fracturas producidas por esfuerzos bi y triaxiales, y por compresión uniaxial. Aún en el caso que los esfuerzos principales sean de compresión, existe un punto en el que el esfuerzo que sigue los bordes de la imperfección es de tensión y entonces puede ocurrir una falla.
Existen ciertas dificultades para relacionar algunos aspectos de la hipótesis de Griffith con las direcciones observadas de las grietas que se presentan en especimenes sujetos a compresión. Es posible, sin embargo, que la falla en una probeta este dirigida por la deformación lateral inducida por el modulo de Poisson.
El orden de los valores del modulo de Poisson para el concreto es tal que, para elementos suficientemente alejados de las placas de la maquina de prueba, la deformación lateral resultante puede exceder el valor de la deformación final por tensión del concreto. La falla ocurre entonces por una partición perpendicular a la dirección de la carga, y esto se ha observado, sobre todo en muestras cuya altura es mayor que su ancho.
Por otro lado, la deformación lateral en una probeta en compresión cuando se observa por primera vez el agrietamiento es:
Donde u es la relación estática de Poisson. De la igualdad observada en ambas deformaciones se deduce que:
Por lo general él modulo de Poisson varia entre 0.11 para concreto de alta resistencia, y entre 0.15 y 0.21 para mezclas normales, y es significativo que la relación entre las resistencias nominales a la tensión y a la compresión de diferentes concretos varíe en forma similar y aproximadamente entre los mismos limites.
Existe entonces la posibilidad que haya cierta coherencia entre la relación de resistencias nominales y el modulo de Poisson, y existen buenos fundamentos para sugerir que los mecanismos que producen las grietas iniciales a compresión uniaxial y a tensión por flexión son las mismas.
Por otra parte, Porrero, J. (1996), señala que los componentes de una mezcla de concreto y las propiedades que estos presenten, son los que en definitiva proporcionarán las características requeridas anteriormente descritas. A continuación se describen en forma general tales componentes.
Agregados.
Los agregados son fragmentos o granos pétreos que abaratan la mezcla y la dotan de características favorables relacionadas con el desarrollo de resistencias mecánicas, trabajabilidad, la adherencia con la pasta de cemento y la disminución de retracción plástica, entre otras.
La mayor parte de la masa de concreto está formada por los agregados (finos y gruesos) que generalmente constituyen el 75% de su peso, por lo cual resultan tan importantes para la calidad final de la mezcla. Se han clasificado como agregado grueso a todo aquel material retenido en el tamiz Nº 4, y el que pasa dicho tamiz como agregado fino.
La forma y textura del agregado grueso influyen en la resistencia a la flexión del concreto; por ejemplo, el agregado triturado genera una mayor resistencia que el redondeado o canto rodado, ya que la rugosidad incrementa la adherencia entre la pasta de cemento y el agregado.
Para producir concretos con mejor comportamiento se requiere que los agregados (gruesos y finos) tengan una gradación continua, lo que origina una reducción en la cantidad de agua para cierta trabajabilidad, incrementándose la resistencia, durabilidad del concreto y disminuyéndose los costos.
Por consiguiente, se puede afirmar que los agregados son el componente que requiere un mayor control para poder asegurar una buena calidad del concreto y generan grandes cambios en la dosificación debido a la gran variedad y procedencia de estos.
En Venezuela los agregados deben cumplir las especificaciones de la Norma COVENIN 277 en lo referente a las características de tipo físico y químico. Existen además una serie de ensayos aplicables a los agregados. Entre los de uso más común o rutinario se encuentran: Granulometría, Modulo de Finura y tamaño máximo (COVENIN 255), Peso especifico y absorción (COVENIN 268 y 269), Contenido de cloruros y sulfatos (COVENIN 261), Cantidad de materia orgánica (COVENIN 256), Resistencia al desgaste (COVENIN 266).
Se da el nombre de granulometría a la distribución de los tamaños de las partículas que lo constituyen, expresados en porcentaje acumulativo del material que pasa o es retenido en un conjunto de cedazos o tamices colocados en cascadas con el de mayor abertura arriba y los de menor abertura abajo. Los tamices normalizados más utilizados son: #4, #8, #16, #30, #50, #100, y #200 para agregado fino, y 1 ½", 1", ¾", 3/8", ¼", #4, y #200 para agregado grueso. (Ver Tabla 1).
Tabla 1.
Limites granulométricos recomendados para distintos tamaños máximos del agregado (porcentajes pasantes).
ABERTURA TAMAÑOS MAXIMOS: mm (pulgadas)
Malla
88.9
76.2
63.5
50.8
38.1
25.4
19.0
12.7
9.53
6.35
mm
Pulg
(3 1/2)
(3)
(2 1/2)
(2)
(1 1/2)
(1)
(3/4)
(1/2)
(3/8)
(1/4)
88.9
(3 1/2)
100-90
100
–
–
–
–
–
–
–
–
76.2
(3)
100-90
100-90
100
–
–
–
–
–
–
–
65
(2 1/2)
100-85
100-90
100-90
100
–
–
–
–
–
–
50.8
(2)
97-80
97-75
96-75
100-90
100
–
–
–
–
–
38.1
(1 1/2)
77-48
85-55
85-52
95-85
100-90
100
–
–
–
–
25.4
(1)
60-35
70-40
73-45
90-75
85-65
100-90
100
–
–
–
19.0
(3/4)
55-30
65-35
65-43
80-56
77-55
95-70
100-90
100
100
–
12.7
(1/2)
50-28
58-32
60-38
65-45
68-48
75-50
80-55
100-90
100-90
–
9.53
(3/8)
48-25
55-30
55-33
60-40
63-43
69-44
65-50
95-70
95-75
100
6.35
(1/4)
45-22
50-25
50-30
57-35
58-35
65-40
60-45
78-55
75-60
100-90
4.76
# 4
43-20
46-22
45-25
52-30
53-30
58-33
55-40
68-50
65-50
80-65
2.38
# 8
38-18
40-18
42-20
45-25
48-25
45-20
50-30
50-32
50-35
60-40
1.19
# 16
30-15
35-15
37-15
35-20
41-18
38-15
45-25
38-20
35-20
50-20
0.59
# 30
22-8
25-10
28-9
25-10
33-10
28-8
30-10
28-10
30-10
30-8
0.29
# 50
18-4
18-4
18-4
18-4
18-4
15-4
15-4
15-4
15-4
15-2
0.14
# 100
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
8-1
Fuente: Porrero, J. (1996), Manual del concreto.
El tamaño máximo del agregado es un factor que se deriva del análisis granulométrico y esta definido como la abertura del menor tamiz de la serie que permite el paso del 95% del material aproximadamente. El parámetro tiene especial significado para el agregado grueso cuyo tamaño máximo debe ajustarse a las dimensiones y especificaciones de la estructura. Por otra parte, desde el punto de vista del diseño de mezcla, cuanto mayor sea el tamaño del agregado grueso, menos agua y cemento se requieren para producir concreto de una calidad dada.
El tamaño tiene gran influencia en la resistencia a la flexión, ya que para un mayor tamaño habrá una mayor superficie de contacto entre el agregado grueso y el medio cementante, lo cual se releja en una mayor resistencia. La clasificación y el tamaño máximo del material granular son importantes debido a su efecto en las clasificaciones, docilidad, economía, porosidad y contracción de la mezcla.
Cemento.
El cemento Pórtland es el producto obtenido de la pulverización de un clinker que consiste, esencialmente, en silicatos hidráulicos de calcio obtenido por un calentamiento a fusión parcial de una mezcla homogénea de materiales que contienen principalmente: Cal (CaO). Sílice (SiO2), con una pequeña porción de alúmina (Al2 O3) y oxigeno férrico (Fe2O3). Este producto tiene la propiedad de endurecer al mezclarse con el agua, formando la llamada pasta cementante. De acuerdo a CEMEX VENEZUELA empresa productora de cemento en Venezuela (www.cemexvenezuela.com.)
El cemento es el componente activo del concreto e influye en todas las características de este material, especialmente en la ganancia de resistencia tanto a tracción como a compresión; sin embargo, constituye solo el 15 % del peso total del concreto.
En Venezuela se fabrica en su mayoría cemento Pórtland Tipo I, que debe cumplir con las especificaciones de calidad previstas en la Norma COVENIN 28 "Cemento. Especificaciones para Cemento Pórtland".
En esta misma forma, Porrero J., (1996). En su Manual del concreto fresco, señala que "Los índices principales que se usan para determinar directamente la calidad del cemento, son: fraguado, finura y resistencia mecánica. Hay además otros índices directos a los que usualmente se les pone menos atención considerándolas parámetros más o menos estables". (Pág. 64).
Aditivos.
Según Porrero, J. (1996). Aditivos son: los productos químicos que se añaden en pequeña proporción a la mezcla de concreto durante su mezclado, para modificar algunas de las propiedades de la mezcla en estado fresco o endurecido. (Pág. 83).
Las características de los aditivos más utilizados se orientan a modificar las velocidades del tiempo de fraguado, acelerándolo o retardándolo, y a buscar mayor plasticidad en la mezcla. El mecanismo mediante el cual se logra mayor plasticidad es a través de procesos físico-químicos que permiten la reducción de parte del agua de mezclado, lo que en muchos casos acelera la ganancia de resistencia luego de producirse el fraguado inicial.
La reducción de agua se produce porque el aditivo crea fuerzas intermoleculares que facilitan tanto la reacción sobre las partículas de cemento, como su menor apelmazamiento y mayor fluidez. En igualdad de condiciones, esta nueva mezcla requiere menor cantidad de agua para obtener el mismo asentamiento. Por eso mismo conduce a menores relaciones agua/cemento, y con ello, a mayores resistencias mecánicas, mayor compacidad y menor porosidad.
Agua.
El agua se puede definir como aquel componente del concreto en virtud del cual el cemento experimenta reacciones químicas que le dan propiedad de fraguar y endurecer para formar un sólido único con los agregados.
El agua de mezclado está definida como la cantidad de agua por volumen unitario de concreto que requiere el cemento contenido en ese volumen unitario, para producir una pasta eficientemente hidratada, con una fluidez tal que permita una lubricación adecuada de los agregados cuando la mezcla se encuentra en estado fresco.
Por lo general, es recomendable que el agua sea potable y que no tenga un pronunciado olor o sabor.
Diseño de Mezcla.
Para el desarrollo de la parte experimental, el diseño de mezcla juega un papel importante porque de ello depende la confiabilidad de los resultados obtenidos en los ensayos realizados al concreto. En tal sentido, Porrero, J. (1979), en su obra Manual del concreto fresco, señala "Se conoce como diseño de mezcla al procedimiento mediante el cual se calculan o estiman las proporciones que debe haber entre los materiales que componen la mezcla, para lograr las propiedades deseadas para el concreto." (P.83).
Por otra parte, las características que definen la calidad del concreto son muy numerosas. De tal forma, Porrero, J. (1979), acota igualmente:
En la práctica, usamos fundamentalmente dos índices de calidad como representativos, son estos: la trabajabilidad, en estado fresco, y la resistencia normalizada a compresión; en estado endurecido. Las características del concreto dependen de las condiciones del producto, primordialmente de las características y proporciones de sus componentes constitutivos…. (p. 3).
Los parámetros que constituyen las condiciones de ensayo, es decir, en la preparación y conservación del concreto, no solo se hacen directamente sobre el material colocado en obra, sino en probetas que lo representarán, establecido como decisivo la preparación y conservación de estas. En tal sentido, el autor antes reseñado, señala:
A través de los tiempos, la experiencia estableció la necesidad de procedimientos de base estadística que ayudaran a planificar la ejecución de ensayos y el manejo de los resultados de la manera más eficiente posible, tanto en lo que respecta al control de calidad como el cumplimiento de las especificaciones. (Pág. 164)
Los procedimientos para ensayos de materiales se han modificado de acuerdo al avance tecnológico, preparados con referencia al análisis, tratamiento y ensayos realizados con anterioridad, como también las experiencias acumuladas de los mismos.
Así mismo este autor, también hace acotación con respecto a los procedimientos y parámetros en cuanto a los resultados de los ensayos y se refiere en tal sentido a:
De gran relevancia en el desarrollo de los ensayos, técnicas y procedimientos, ha generado los principios establecidos por tener validez de carácter general y útiles para el tratamiento de resultados de los ensayos correspondientes. Mediante los procedimientos, desde el mismo momento que se disponga de resultados de los primeros ensayos se podrá lograr una estimación con una base probabilística que sirva de apoyo para controlar todos aquellos parámetros que a futuro proporcionan mayor precisión y seguridad de datos obtenidos y de las más acertadas medidas correctivas que se puedan sugerir. Por otra parte, los procedimientos estadísticos se basan en el supuesto de que los ensayos han sido hechos y suponen muestras representativas del material, ya que la selección de muestras en criterios personales, carecen de validez. Las variaciones que presentan los resultados de los ensayos tienen dos orígenes, uno son las variaciones reales de calidad que tiene el material y el otro son aparentes, proveniente de la imprecisión intrínseca de los ensayos /procedimientos, personal, equipos y medio ambiente). (Pág. 181).
Cuando los ensayos se hacen en forma adecuada siguiendo determinadamente sus métodos, las variaciones que producen son menor que las producidas por las reales alternativas. Por el contrario, cuando los ensayos se hacen en forma inadecuada o desviada en alguna de sus partes, las variaciones que se producen pueden llegar a superar ampliamente a las correspondientes al material ensayado. Los ensayos mal hechos indican graves niveles de calidad y variabilidad que en realidad no existen, basados en los resultados, es importante cualquier plan de control.
Evaluación de los Ensayos de Resistencia.
Porrero, J. (1996). La calidad del concretó depende de muchas variables, tanto de las características de cada uno de los materiales que lo componen como de las proporciones en que estos son mezclados, así como de las operaciones de mezclado y de los procedimientos de colocación y curado. Esto conlleva a que para un mismo tipo de concreto se pueda presentar cierta variabilidad en sus propiedades.
Además, los métodos para determinar las propiedades del concreto son pocos precisos debido a que se producen variaciones en la preparación de las probetas y en los ensayos propiamente dichos.
Aún cuando se tomen las precauciones necesarias para un buen control de calidad en la producción del concreto, los resultados de los ensayos realizados a un mismo tipo de concreto en distintos períodos pueden resultar desiguales.
Estos resultados varían de acuerdo a cierta distribución con respecto al valor promedio, apelándose a principios estadísticos para medir la variabilidad.
Principios Estadísticos.
La estadística permite condensar datos y presentarlos en forma probabilística, de manera que sean más fácilmente comprensibles y comparables. Constituye la herramienta más adecuada y útil que se disponen para el control de calidad, tanto en su etapa de planificación como en la interpretación de los resultados. Por ello, Porrero, J. (1996), utiliza algunos parámetros estadísticos fundamentales, como son:
Media Aritmética o Promedio (X).
La media aritmética o promedio, es la tendencia central del valor de los ensayos. Se determina como la suma de los valores individuales ( Xi), dividida por el número de valores (n):
Desviación Típica o estándar ( ).
Es la medida más representativa de la dispersión o variabilidad de los datos y viene dada por la siguiente expresión:
Variación Total o Rango ( d ).
Es la diferencia entre el valor máximo y mínimo de los obtenidos en el grupo de ensayo que se analiza.
d = X max – X min
Coeficiente de Variación ( v ).
Es la relación entre la desviación típica o estándar y la media aritmética, expresada usualmente en porcentaje. Por lo tanto, mide la variabilidad o grado de dispersión en forma porcentual y no absoluta.
Distribución Normal.
Si los resultados de las probetas de concreto se colocan en un gráfico cartesiano, donde las abscisas representan las resistencias y las ordenadas el números de veces (frecuencia) que aparecen los valores correspondientes a un rango de resistencia, la distribución toma una forma acampanada. Esta representación recibe el nombre de distribución normal o "Curva de Gauss". (ver gráfica 1)
Grafico 1. Distribución Normal o Curva de Gauss.
Fuente: Murray R. Spiegel (2001), Estadística.
En la distribución normal el área total bajo la curva representa una probabilidad de ocurrencia del 100%, y el área entre límites de magnitud representa la probabilidad de que ocurran los valores entre esos límites.
La curva de distribución normal es simétrica, es decir, tiene dos mitades iguales que unen en el valor medio (resistencia promedio de concreto). En la región central de la curva se acumula cerca de las dos terceras partes (68.3 %) de los resultados, siendo sus resistencias bastantes parecidas a la resistencia promedio. (Ver tabla 2).
Tabla 2.
Relación entre el grado de control y la desviación estándar a considerar para el diseño.
Grado de Control
Sin Control
Malo
Mediano
Bueno
Excelente
Desviación estándar
9.0
6.5
5.0
4.0
3.0
Mpa (Kg/cm2)
(> 92)
(66)
(51)
(41)
(31)
Fuente: Porrero, J. (1996), Manual del concreto.
Cualquier fracción del área total se puede expresar en función de la desviación estándar . Así, se considera la abscisa R – , el 15.87 % del área queda a la izquierda (valores menores) y el 84.13 % queda a la derecha. La interpretación física de esto es que si se selecciona un valor de resistencia ( R ) igual al valor medio menos una vez la desviación estándar, y la distribución es normal, la probabilidad de que la probeta ensayada sea menor de R – es de 15.87 %.
Fracción Defectuosa.
Al multiplicar & por coeficientes designados comúnmente por Z, se definen áreas como criterios de aceptación, de forma tal que R – Z define un área de probabilidad. Esta área expresada en porcentaje es la llamada fracción defectuosa, es decir, el porcentaje de resultados de ensayos inferiores a la resistencia nominal de cálculo, referido a la totalidad de los ensayos efectuados.
Este porcentaje es limitado a ciertos valores permisibles establecidos en las normas. En el diseño de mezclas se utilizan generalmente 10% y 20 % dependiendo del tipo de elemento e importancia de la obra. En el caso de los concretos de uso estructural de baja, media y alta resistencia, un promedio de los dos valores que se emplearon. (Ver tabla 3)
Tabla 3.
Fracción defectivas y valores correspondientes de la variable tipificada Z.
Fracción defectiva (%)
Z
20
0.842
16
1.000
10
1.282
9
1.341
5
1.645
Fuente: Porrero, J. (1996), Manual del concreto.
Resistencia de Cálculo.
En el cálculo estructural se toma como resistencia de referencia del concreto, el correspondiente a los ensayos de comprensión que hacen en probetas normalizadas del material.
Por seguridad de la estructura es conveniente que ninguna parte del concreto que se coloca tuviera resistencias menores que un determinado valor escogido. Sin embargo, los principios estadísticos señalan que no es posible establecer como resistencia para el ensayo normativo un valor mínimo especifico, ya que, con una probabilidad mayor o menor, siempre es posible obtener un valor por debajo del especificado.
Para hacer prácticamente nula la probabilidad de que ocurra eso con la resistencia de un concreto, habría que establecer un valor limite tan bajo que el control dejaría de ser efectivo y cualquier mezcla podría aparentar cumplir la exigencia se tendría que sobre diseñar de tal modo el concreto que lo hiciera antieconómico.
Tampoco la resistencia media es adecuada a estos efectos, ya que es independiente de la dispersión o variabilidad de los datos, dejando así fuera de control ese parámetro.
Lo que se emplea, entonces, como resistencia de referencia es una resistencia de cálculo estructural f´c, o resistencia característica, Rc bajo las cuales se aceptan que quede una determinada fracción del concreto, que se denomina "Fracción defectuosa" o "fractil".
Ley de Abrams.
Esta ley establece la correspondencia entre la resistencia del concreto y la relación agua/cemento ( & ) en peso y representa mediante la siguiente ecuación:
Donde R representa la resistencia media esperada, M y N son constantes que dependen de las características de los materiales que componen la mezcla y la edad de ensayo.
El valor modificado mediante factores de corrección según el tipo de agregado y el tamaño máximo del mismo. En el caso de piedra picada, arena natural y tamaño máximo 1", los factores de corrección toman ambos el valor de 1.00 (ver tablas 4 y 5).
Tabla 4.
Factores para corregir por tipo de agregado.
Agregado
Triturados
Semitriturados
Canto Rodado
Arena Natural
1.00
0.97
0.91
Arena Triturada
1.14
1.10
0.93
Fuente: Porrero, J. (1996), Manual del concreto.
Tabla 5.
Factores para corregir por tamaño máximo, mm (pulgadas).
Tamaño
6.4
9.5
12.7
19.0
25.4
36.1
50.8
63.5
76.2
Máximo
(1/4)
(3/8)
(1/2)
(3/4)
(1)
(1 1/2)
(2)
(2 1/2)
(3)
Factor de
Corrección
1.60
1.30
1.10
1.05
1.00
0.91
0.82
0.78
0.74
Fuente: Porrero, J. (1996), Manual del concreto.
Trabajabilidad.
Según Porrero, J. (1996), da el termino trabajabilidad, con dos acepciones distintas. Una, general, con la cual designamos el conjunto de propiedades del concreto que permiten manejarlo sin que se produzca segregación, colocarlo en los moldes y compactarlo adecuadamente. La otra designación es específica para designar el término asentamiento medido por el procedimiento normalizado del Cono de Abrams. Esta segunda aceptación es discutible porque, en realidad, el ensayo no es representativo del conjunto de propiedades referidas. (Pág. 17).
El método del Cono de Abrams para determinar el asentamiento de la mezcla, tiene en la actualidad una amplia aplicación, en el entendido de que si no revela específicamente ciertas propiedades reológicas de la mezcla, el uso de la información que ofrece permite la toma de decisiones acertadas. (Ver tabla 6).
- Antecedentes
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