CRITERIOS Y LIMITACIONES
PAR EL DISEÑO DE MEZCLA
Actualmente, el concreto es el elemento más usado en el ámbito mundial
para la construcción, lo que conlleva a la evolución de las exigencias para
cada uso del mencionado elemento.
La demanda del concreto ha sido la base para la elaboración de los
diferentes Diseños de Mezcla, ya que estos métodos permiten a los usuarios
conocer no sólo las dosis precisas de los componentes del concreto, sino
también la forma más apropiada para elaborar la mezcla. Los Métodos de Diseño
de mezcla están dirigidos a mejorar calificativamente la resistencia, la
calidad y la durabilidad de todos los usos que pueda tener el concreto.
Diseño de Mezcla
Es un proceso que consiste en calcular las proporciones de los elementos
que forman el concreto, con el fin de obtener los mejores resultados.
Existen diferentes métodos de Diseños de Mezcla; algunos pueden ser muy
complejos como consecuencia a la existencia de múltiples variables de las que
dependen los resultados de dichos métodos, aun así, se desconoce el método que
ofrezca resultados perfectos, sin embargo, existe la posibilidad de seleccionar
alguno según sea la ocasión.
En oportunidades no es necesario tener exactitud en cuanto a las
proporciones de los componentes del concreto, en estas situaciones se frecuenta
el uso de reglas generales, lo que permite establecer las dosis correctas a
través de recetas que permiten contar con un diseño de mezcla apropiado para
estos casos.
Recetas Elementales
Diseño Único
Una parte en volumen de agregado grueso, por una parte, de arena y media
parte de cemento, agua necesaria para mantener la trabajabilidad. El agregado
grueso varía entre piedra picada, grava, canto rodado picado o canto rodado
natural, mientras que la arena puede ser natural o de trituración.
La dosis de cemento puede ser medida a través de sacos enteros y medio
saco si se cuenta con la experiencia necesaria.
Receta Única
- Piedra o grava de
80 a 95 kgs.
- Arena de 65 a 80 kgs.
- Cemento un saco
de 42.5 Kg, equivalente a 7.5 sacos de cementos
por metro cúbico.
- Agua la necesaria
de 25 a 30 litros.
Se obtiene 130 litros de
concreto, la resistencia esperada es de 18
Mpa (184 Kg/cm). Esta resistencia fue la determinada a los 28 días en
probetas cilíndricas de 15 cm de diámetro por
30 cm de altura.
Si se emplean áridos de buena calidad, y se toman todas las medidas
necesarias, se puede obtener una resistencia mayor a los 18 Mpa, o puede suceder lo contrario.
Receta Ampliada.
Se deben tomar en consideración las características más importantes de
los agregados, la granulometría y el tamaño máximo. Con respecto a la
granulometría solo se deben usar piedras o arenas balanceadas en sus diferentes
tamaños de granos, sin exceso o ausencia. Existen tres alternativas
correspondientes al tamaño máximo que se vaya a usar.
El agua debe aplicarse con una cantidad tal que se mantenga la
trabajabilidad, y la colocación de moldes y encofrados. Esta dosis debe ser lo
más precisa posible ya que un exceso de agua disminuye la resistencia, por ello
los encargados de esta tarea deben tener experiencia mínima exigida.
Es necesario disponer de un procedimiento detallado, preciso y complejo
para obtener resultados óptimos en cuanto a cantidades y proporciones de los
componentes del concreto se refiere, así existe la posibilidad de tomar en
cuenta los posibles cambios que afectan las características de los componentes,
incrementando así mayores índices de calidad.
Algunos métodos son probados en laboratorio y en plantas de preparación
comercial, el que se mencionará a continuación dio excelentes resultados y es
muy usado en el caso del empleo de agregados pocos controlados.
Se basa en cuatro aspectos fundamentales; dosis de cemento,
trabajabilidad, relación agua/cemento y resistencia, todos estos fundamentos se
relacionan a través de dos leyes: Relación Triangular y la Ley de Abrams.
También toma en cuenta dos variables importantes: Tamaño Máximo y Tipos
de Agregados, además de explicar la calidad del cemento y el efecto reductor
del agua de los aditivos químicos en su parte final; la incorporación de aire,
la presencia elevada de ultrafinos o el empleo de dos o más agregados.
El método explica de forma independiente la proporción entre agregado
fino y grueso, también la granulometría del agregado combinado lo que permite
cambiar dicha proporción sin alterar la dosis de los demás componentes.
Este método es usado para mezcla con resistencias entre los 18 y 42 Mpa, a los 28 días en
probetas cilíndricas de 15 x 30 cm, también es usado para concretos con
asentamiento en Cono de Abrams entre 2.5
y 13 cm, este método no es el más
apropiado para las mezclas ultra resistentes.
Cálculo de la Proporción entre Agregados
Finos y Gruesos
Un determinado tipo de agregado fino se combina con algún agregado
grueso, para dar origen a la mezcla, la granulometría de ambos agregados es
conocidos previamente. En la parte interna de la mezcla actúa una combinación
de agregados, que va desde la partícula más gruesa del agregado hasta la más
fina de la arena. La granulometría debe estar dentro de los límites
correspondientes, solo así se puede esperar un buen resultado de la mezcla,
tanto en el aspecto de calidad como en el aspecto económico.
En el siguiente gráfico se mostrarán los límites granulométricos de las
zonas aconsejables para agregados combinados de los tamaños máximos más usados.
Datos para el Diseño de Mezcla.
Se refiere a las variables tomadas en cuenta dentro del diseño,
probablemente una de las variables sea común dentro de todos los métodos debido
a que son de suma importancia, las restantes establecen la diferencia entre
cada método.
La información básica del método está constituida por los datos de
entrada, gracia a ellas se puede llegar a la dosificación esperada.
Los Datos de
entrada son:
- Lugar
de la obra, o condiciones ambientales.
- Tipo de
obra, o parte de la estructura.
- Tipo de
agregados y tipo de cemento.
- Resistencia
de diseño o algún dato relacionado.
El asentamiento es considerado en algunos métodos como dato de entrada,
mientras que en otro se selecciona de alguna tabla, con relación al tipo de
elemento estructural al que se destine la mezcla próxima a diseñar.
Valores usuales de
asentamiento
Ley de Abrams
Esta ley establece la relación entre la resistencia del concreto y la
relación agua/cemento.
= a/c
donde a es la
cantidad de agua en litro o en Kg, y c la dosis de cemento en Kg.
Una forma de
representar la Ley de Abrams es:
R = M / N
Donde R es la resistencia
media, M y N son constantes que dependen de las características de los
materiales, edad del ensayo y la forma de llevarlo a cabo.
Relación Triangular
Es la unión que relaciona la trabajabilidad, medida con el Cono de
Abrams, la relación agua/cemento y dosis de cemento.
Esta ley no se
utiliza en otros métodos de diseño de mezcla conocido.
En el siguiente gráfico se presenta en forma esquematizada un resumen de
los pasos necesarios para elaborar un diseño de mezcla
Aire Atrapado
A pesar de que el concreto tenga una compactación de primera por efecto
de vibración, siempre queda una pequeña cantidad de aire, representado por la
letra V.
V = C/P en
litros/m,
C es la dosis de
cemento y P el tamaño máximo.
Volumen Absoluto de
los granos de Cemento
Se obtiene al
dividir la dosis de cemento entre su peso específico.
Se representa con
la letra a.
a = C. en Kg. /m
Volumen Absoluto de
los Agregados.
Resulta al dividir
la dosis de cada uno entre su peso específico en su estado de agregado saturado
con superficie seca.
Se simboliza como
agregado grueso y para el fino.
Ecuación de volumen
y cálculo de la dosis de agregados.
G + A + 0.3C + a +
V = 1000
g+a
= Se refiere a los agregados finos y grueso con granulometría definida,
para calcular los pesos de cada uno de los agregados, se despeja G + A y se
combina con la expresión de la relación.
A
G + A
Por medio de esta fórmula es posible calcular los pesos de cada
agregado, con este cálculo culmina el diseño.
Diseños Inversos
Son los diseños que se desarrollan en forma contraria a los comunes, el
más usual es el de averiguar qué resistencia se podrá obtener con materiales
determinados con cierto asentamiento y una dosis de cemento donde solo es
necesario usar la parte superior del esquema.
Las variables que intervienen en los diseños de mezcla no tienen gran
precisión ni teórica ni práctica, por ello solo deben tomarse en cuenta tres o
cuatro cifras significativas.
Existen otras variables que influyen en el diseño de mezcla, calidad del
cemento y aditivos reductores del agua.
Corrección por humedad
El método de diseño expuesto ha considerado la humedad de los agregados
como condición ideal de saturados con superficie seca, en la que el material ni
sede ni toma agua de la mezcla.
Los agregados pueden estar en cualquier condición de humedad lo que
afecta la cantidad de agua que se debe usar, con el fin de mantener las
proporciones reales del diseño.
A pesar de que el diseño de mezcla haya sido bien hecho las variables
pueden desviar el resultado esperado, por lo que siempre se recurre a la mezcla
de prueba, ya sea en laboratorio o en la obra.
EJEMPLOS DE DISEÑO DE MEZCLA
Diseño 1
Se requiere un concreto de alta resistencia para la pared de un
depósito, de sección pequeña, bastante armada y, por todo ello, con
dificultades de vibración.
Solución
Este caso es típico para el empleo de aditivos superplastificantes de
alto poder.
Se utiliza una elevada dosis de cemento, tal como 12 sacos de cemento
por metro cúbico, con un aditivo que tenga una capacidad de reducción de agua
del 35%, y yendo al máximo al asentamiento que es de 20 cm, y sin tomar en
cuenta los factores de corrección, se tendría:
C = 12 (42.5) = 510
Kg. /m.
= 0.466.
f = 1.538.
= 0.303.
R28 = 46.0 Mpa.
Un concreto totalmente autonivelante exigiría una fluidez mayor que la
propuesta con 20 cm de asentamiento, y por tanto tendría resistencias menores.
Su consideración cae fuera del propósito de este método de diseño de mezcla.
Diseño 2.
Se pretende definir un concreto para prefabricados, en mezcla seca que
se compactará con alta energía de vibración. Dosis de cemento de 12 sacos por
metro cúbico. Se dispone de piedra picada con tamaño máximo de ¾ pulgada, y una
arena natural sin ultrafinos. Calcular la resistencia que se pudiera lograr.
Solución
- Para calcular,
por la formula o por el gráfico, vamos a necesitar el dato del cemento, por lo
cual empezaremos por calcularlo.
C = 12 (42.5) /1.05
= 486 Kg. /m.
El valor mínimo de
asentamiento para el cual siguen siendo válidas las constantes de la relación
triangular (y eso con reservas), es cuando T = 1 cm.
Entonces, el valor
de
= (117,2(1)) =
0.335
486
- Esta habrá que des
corregirla para poder entrar a la Ley de Abrams.
= 0.335/1.05 =
0.319
R = 44.4 Mpa (453 Kg.
/cm ).
Mediante de aditivos superplastificantes de alto rango también sería
posible obtener resistencias más altas, pero dado que trabajan con alto nivel
de asentamiento y grado de fluidez, no sería factible obtener suficientes
rigideces a muy corto plazo, capaces de permitir un rápido de desencofrado para
el reusó intensivo de los moldes
EL CONTROL COMO FACTOR DE SELECCIÓN
TRABAJABILIDAD
Claramente un concreto apropiadamente diseñado debe permitir ser
colocado y compactado apropiadamente con el equipamiento disponible. El acabado
que permite el concreto debe ser el requerido y la segregación y sangrado deben
ser minimizados. Como regla general el concreto debe ser suministrado con la
trabajabilidad mínima que permita una adecuada colocación. La cantidad de agua
requerida por trabajabilidad dependerá principalmente de las
Características de los agregados en lugar de las características del cemento.
Cuando la trabajabilidad debe ser mejorada, el rediseño de la mezcla debe
consistir en incrementar la cantidad de mortero en lugar de incrementar
simplemente el agua y los finos (cemento). Debido a esto es esencial una
cooperación entre el diseñador y el constructor para asegurar una buena mezcla
de concreto. En algunos casos una menos mezcla económica podría ser la mejor
solución. Y se deben prestar oídos sordos al frecuente pedido, en obra, de “más
agua”.
RESISTENCIA Y DURABILIDAD
En general las especificaciones del concreto requerirán una resistencia
mínima a compresión. Estas especificaciones también podrían imponer
limitaciones en la máxima relación agua/cemento (a/c) y el contenido mínimo de
cemento. Es importante asegurar que estos requisitos no sean mutuamente
incompatibles.
Como veremos en otros capítulos, no necesariamente la resistencia a
compresión a 28 días será la más importante, debido a esto la resistencia a
otras edades podría controlar el diseño.
Las especificaciones también podrían requerir que el concreto cumpla
ciertos requisitos de durabilidad, tales como resistencia al congelamiento y
deshielo o ataque químico.
Estas consideraciones podrían establecer limitaciones adicionales en la
relación agua cemento (a/c), el contenido de cemento y en adición podría
requerir el uso de aditivos.
Entonces, el proceso de diseño de mezcla, envuelve cumplir con todos los
requisitos antes vistos. Asimismo, debido a que no todos los requerimientos
pueden ser optimizados simultáneamente, es necesario compensar unos con otros;
(por ejemplo puede ser mejor emplear una dosificación que para determinada
cantidad de cemento no tiene la mayor resistencia a compresión pero que tiene
una mayor trabajabilidad). Finalmente debe ser recordado que incluso la mezcla
perfecta no producirá un concreto apropiado si no se lleva a cabo
procedimientos apropiados de colocación, acabado y curad0
RESISTENCIA MECÁNICA DEL CONCRETO Y
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Desde el momento en que los granos del cemento inician su proceso de
hidratación comienzan las reacciones de endurecimiento, que se manifiestan
inicialmente con el “atiesa miento” del fraguado y continúan luego con una
evidente ganancia de resistencias, al principio de forma rápida y
disminuyendo la velocidad a medida que transcurre el tiempo.
En la mayoría de los países la edad normativa en la que se mide la resistencia
mecánica del concreto es la de 28 días, aunque hay una
tendencia para llevar esa fecha a los 7 días. Es frecuente determinar la
resistencia mecánica en periodos de tiempo distinto a los de 28 días, pero
suele ser con propósitos meramente informativos. Las edades más usuales en
tales casos pueden ser 1, 3, 7, 14, 90 y 360 días. En algunas ocasiones y de
acuerdo a las características de la obra, esa determinación no es solo
informativa, si no normativa, fijado así en las condiciones contractuales.
DISEÑO DE MEZCLAS DE
CONCRETO
Es importante saber que se han
realizado una gran cantidad de trabajos relacionados con los aspectos teóricos
del diseño de mezclas de concreto, en buena parte se entiende que el diseño de
mezcla es un procedimiento empírico, y aunque hay muchas propiedades
importantes del concreto, la mayor parte de procedimientos de diseño están
basados principalmente en lograr una resistencia a
compresión para una edad determinada así como la manejabilidad
apropiada para un tiempo determinado, además se debe diseñar para unas
propiedades que el concreto debe cumplir cuando una estructura se coloca en
servicio.
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 en estado fresco son
las de manejabilidad, resistencia, durabilidad y economía.
MANEJABILIDAD
Es importante que el concreto se diseñe
con la manejabilidad adecuada para la colocación, esta depende principalmente
de las propiedades y características de los agregados y
la calidad del cemento.
Cuando se necesita mejorar las propiedades de manejabilidad, se puede pensar en
incrementar la cantidad de mortero.
Es fundamental la comunicación
entre el diseñador, el constructor y el productor de concreto con el propósito
de asegurar una buena mezcla de concreto. Una adición de agua en la obra es la
peor solución para mejorar la manejabilidad del concreto, es totalmente
contraproducente para la calidad del producto.
RESISTENCIA Y DURABILIDAD DEL CONCRETO
El concreto es diseñado para una
resistencia mínima a compresión. Esta especificación de la resistencia puede
tener algunas limitaciones cuando se especifica con una máxima relación agua
cemento y se condiciona la cantidad de material cementante. Es importante
asegurar que los requisitos no sean mutuamente incompatibles. O en algunos
casos la relación agua/material cementante se convierte en la características más
importante por tema de durabilidad.
En algunas especificaciones puede
requerirse que el concreto cumpla con ciertos requisitos de durabilidad
relacionados con congelamiento y deshielo, ataques químicos, o ataques por
cloruros, casos en los que la relación agua cemento, el contenido mínimo de
cemento y el uso de aditivos se convierten en pieza fundamental para el diseño
de una mezcla de concreto.
Esto nos lleva a tener presente
que una mezcla perfecta o diseñada bajos los criterios de durabilidad no
producirá ningún efecto si no se llevan a cabo procedimientos apropiados de
colocación, compactación acabado, protección y curado
.
LA ECONOMÍA DE EN LAS MEZCLAS DE CONCRETO
El costo de la elaboración de una mezcla de concreto está constituido
básicamente por el costo 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 es mayor que el de los
agregados y de allí, que la proporción de estos últimos minimice la cantidad de
cemento sin sacrificar la resistencia y demás propiedades
del concreto. La diferencia en costo entre los agregados
generalmente es secundaria; sin embargo, en algunas localidades o con algún
tipo de agregado especial pueden ser suficientes para que influya 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 los agregados.
El costo de la mano de obra
depende de la trabajabilidad de la mezcla y de los métodos de colocación y
compactación. Una mezcla poco trabajable con un equipo de compactación
deficiente aumenta los costos de mano de obra
También la economía de un diseño
de mezcla se debe contemplar el grado de control de calidad que se espera en la
obra. El concreto tiene una variabilidad tanto la calidad de los materiales, la
producción y las acciones que se ejecutan en la obra. En obras pequeñas “sobre
diseñar” el concreto puede resultar económico entre comillas, pero en una obra
muy grande de altos volúmenes de concreto se debe implementar un extenso control
de calidad con el propósito de mejoran los costó y la eficiencia.
DOSIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DE CONCRETO
Las
proporciones de la mezcla de concreto que cumpla con dichas características con
los materiales disponibles, se logra mediante el sistema de prueba y error o el
sistema de ajuste y reajuste.
Dicho
sistema consiste en preparar una mezcla de concreto con unas proporciones
iniciales y calculadas por diferentes métodos. A la mezcla de prueba se le
realizan los diferentes ensayos
de control de calidad como asentamiento, pérdida de manejabilidad, masa unitaria,
tiempos de fraguado y resistencia a la compresión.
Estos datos se comparan con la especificación y si llegan a ser diferentes o no cumplen
con la expectativa de calidad se reajustan las cantidades, se elabora
nuevamente la mezcla que debe cumplir todos los ensayos de control de calidad,
si nuevamente no cumple los requisitos exigidos es necesario revisar los
materiales, el método del diseño y nuevamente otra mezcla de concreto hasta
ajustar los requisitos exigidos por la especificación
DATOS DE LOS MATERIALES
De las propiedades
de los materiales que se van a utilizar se debe conocer:
§ Granulometría
§ Módulo de finura de
la arena
§ Tamaño máximo de
la grava
§ Densidad aparente
de la grava y de la arena
§ Absorción del
agrava y de la arena
§ Masa unitaria
compacta de la grava
§ Humedad de los
agregados inmediatamente antes de hacer las mezclas
§ Densidad del
cemento
PROCESO PARA EL DISEÑO DE
MEZCLAS DE CONCRETO
1. Estudio de las
especificaciones de la obra
2. Definición
de la resistencia Compresión/flexión
3. Elección del
asentamiento
4. Determinar TM –
TMN
5. Estimación
cantidad de aire
6. Estimación
contenido de agua
7. Definir
relación agua/material cementante
8. Contenido de
material cementante
9. Verificar las
granulometrías de los agregados
10. Estimación de
agregado grueso
11. Estimación de
agregado fino
12. Ajuste por
humedad
13. Ajuste del
diseño de mezcla
Los métodos de diseño de mezclas
de concreto van desde los analíticos experimentales y empíricos, hasta volumétricos, todos estos métodos han
evolucionado y ha llevado a procedimientos acordes con las necesidades de los
proyectos y se han desarrollado algunas guías ya normalizadas para darle
cumplimiento a la calidad del concreto en la obra.
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