Composicin de mezclas de agregados gruesos y finos en la resistencia a la compresin y porosidad del hormign
Composition of coarse and fine aggregate mixtures on the compressive strength and porosity of concrete
Composio de misturas de agregados grados e midos na resistncia compresso e porosidade do concreto
Correspondencia: vparrales1838@utm.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 30 de septiembre de 2023 *Aceptado: 30 de octubre de 2023 * Publicado: 16 de noviembre de 2023
I. Estudiante de la Carrera de Ingeniera Civil de la Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.
II. Estudiante de la Carrera de Ingeniera Civil de la Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.
III. Docente Principal del Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Matemticas, Fsicas y Qumicas de la Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.
Resumen
La investigacin aborda, la importancia que tiene una adecuada composicin de mezcla de agregados, con el fin de conseguir hormigones duraderos y de esta manera extender la vida til en obras civiles. El objetivo es obtener una composicin ideal para que, al momento de realizar un hormign, este cuente con agregados finos y gruesos que ayuden a mejorar la resistencia, durabilidad y reducir la porosidad del hormign. Para conocer las propiedades fsicas y mecnicas de los agregados finos y gruesos, la metodologa utilizada se la realiz mediante ensayos basados en las NTE-INEN; donde se incluy determinacin de la densidad relativa, absorcin del rido fino, ensayo de masa unitaria, porcentaje de vacos, y granulometra. Para lo cual se hicieron composiciones de las combinaciones de agregados extrados de dos canteras ubicadas en las provincias de Santo Domingo de los Tschilas y Manab, siguiendo criterios del ACI y normas ASTM y NTE INEN para la dosificacin del hormign. Se confeccionaron 28 especmenes, divididas en cuatro composiciones (A, B, C y D) para evaluar la resistencia a la compresin y porosidad capilar. La resistencia a la compresin se analiz en intervalos de 7, 14 y 28 das de curado segn la norma ASTM C39, mientras que la porosidad capilar se evalu mediante la metodologa de Gran Fagerlund y la norma ASTM C 1585. Con los resultados obtenidos, se pudo evidenciar que la composicin A (60/40) destac por su resistencia mxima a la compresin en comparacin con las otras tres combinaciones. Mientras que las composiciones B, C y D, difirieron muy levemente en los resultados. Mientras que el porcentaje de porosidad efectiva se observ que las combinaciones A y B tienen porcentajes menores o iguales al 10%, lo que las categoriza como hormigones de buena calidad segn la Red Iberoamericana DURAR. La composicin A demuestra ser las ms ptima en trminos de calidad y desempeo, por lo que se concluye que una buena seleccin de agregados, ms una composicin adecuada es crucial para conseguir una mezcla de hormign optima y alcanzar la resistencia y la porosidad del hormign deseada para de esta manera prolongar la vida til de las estructuras.
Palabras Clave: Agregados; Composicin; Resistencia a la compresin; Porosidad efectiva; Durabilidad.
Abstract
The research addresses the importance of an adequate aggregate mixture composition, in order to achieve durable concrete and thus extend the useful life in civil works. The objective is to obtain an ideal composition so that, when making concrete, it has fine and coarse aggregates that help improve the strength, durability and reduce the porosity of the concrete. To know the physical and mechanical properties of fine and coarse aggregates, the methodology used was carried out through tests based on the NTE-INEN; which included determination of the relative density, absorption of the fine aggregate, unit mass test, percentage of voids, and granulometry. For which compositions were made of the combinations of aggregates extracted from two quarries located in the provinces of Santo Domingo de los Tschilas and Manab, following ACI criteria and ASTM and NTE INEN standards for concrete dosage. 28 specimens were made, divided into four compositions (A, B, C and D) to evaluate compression resistance and capillary porosity. The compressive strength was analyzed at intervals of 7, 14 and 28 days of curing according to the ASTM C39 standard, while the capillary porosity was evaluated using the Gran Fagerlund methodology and the ASTM C 1585 standard. With the results obtained, It was possible to show that composition A (60/40) stood out for its maximum resistance to compression compared to the other three combinations. While compositions B, C and D differed very slightly in the results. While the percentage of effective porosity, it was observed that combinations A and B have percentages less than or equal to 10%, which categorizes them as good quality concrete according to the Ibero-American DURAR Network. Composition A proves to be the most optimal in terms of quality and performance, so it is concluded that a good selection of aggregates, plus an adequate composition is crucial to achieve an optimal concrete mix and achieve the desired strength and porosity of the concrete. in order to prolong the useful life of the structures.
Keywords: Aggregates; Composition; Resistance to compression; Effective porosity; Durability.
Resumo
A pesquisa aborda a importncia de uma composio adequada da mistura de agregados, para se obter concreto durvel e assim prolongar a vida til em obras civis. O objetivo obter uma composio ideal para que, na fabricao do concreto, possua agregados finos e grados que ajudem a melhorar a resistncia, durabilidade e reduzir a porosidade do concreto. Para conhecer as propriedades fsicas e mecnicas dos agregados finos e grados, a metodologia utilizada foi realizada atravs de ensaios baseados no NTE-INEN; que incluiu determinao da densidade relativa, absoro do agregado mido, teste de massa unitria, porcentagem de vazios e granulometria. Para o qual foram feitas composies das combinaes de agregados extrados de duas pedreiras localizadas nas provncias de Santo Domingo de los Tschilas e Manab, seguindo os critrios ACI e as normas ASTM e NTE INEN para dosagem de concreto. Foram confeccionados 28 corpos de prova, divididos em quatro composies (A, B, C e D) para avaliao de resistncia compresso e porosidade capilar. A resistncia compresso foi analisada nos intervalos de 7, 14 e 28 dias de cura conforme norma ASTM C39, enquanto a porosidade capilar foi avaliada pela metodologia de Gran Fagerlund e norma ASTM C 1585. Com os resultados obtidos, foi possvel mostram que a composio A (60/40) se destacou pela mxima resistncia compresso em relao s outras trs combinaes. Enquanto as composies B, C e D diferiram muito ligeiramente nos resultados. Quanto ao percentual de porosidade efetiva, observou-se que as combinaes A e B apresentam percentuais menores ou iguais a 10%, o que os categoriza como concretos de boa qualidade segundo a Rede Ibero-Americana DURAR. A composio A revela-se a mais ptima em termos de qualidade e desempenho, pelo que se conclui que uma boa seleco de agregados, somada a uma composio adequada crucial para conseguir uma mistura ptima de beto e atingir a resistncia e porosidade desejadas do beto. para prolongar a vida til das estruturas.
Palavras-chave: Agregados; Composio; Resistncia compresso; Porosidade efetiva; Durabilidade.
Introduccin
La presente investigacin se la realiz, ante la necesidad de obtener una composicin de mezcla de agregados para elaborar hormigones ms durables y de esta manera prolongar la vida til en las construcciones de obras civiles, ya que a menudo nos encontramos con infraestructuras deterioradas como consecuencia de proporcin inadecuada de sus componentes.
Los agregados finos y gruesos, son un conjunto de partculas, de origen natural o artificial, que pueden ser procesados o elaborados en base a la necesidad de la construccin. Los mismos pueden variar de tamaos, que van desde partculas casi invisibles hasta pedazos de agregados que, junto con el agua y el cemento, conforman el tro de ingredientes necesarios para la fabricacin del hormign. Desde otro aspecto se indica que las mezclas de concreto con un mayor tamao de agregado grueso, para un mismo contenido de cemento y consistencia, requiere un menor contenido de agua en comparacin con concretos con menor tamao de agregado (Hernndez, 2021, p. 2).
La importancia del tipo, calidad y uso correcto del agregado no se puede subestimar. Los agregados fino y grueso, ocupan cerca del 60% al 75% del volumen del hormign, e influyen fuertemente en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido, as como en las propiedades de la mezcla del hormign.
En los ltimos aos, se ha presentado un mayor inters en el anlisis de cmo influye la composicin de las mezclas de agregados finos y gruesos en la resistencia a la compresin, no as en la porosidad del hormign. La correcta composicin de agregados finos y gruesos, pueden mejorar la resistencia y la densidad del hormign, reduciendo la porosidad y a su vez mejorar su durabilidad, logrando incrementar la vida til de las estructuras.
Santamara et al., (2021) manifiestan que, el hormign que se utiliza en la construccin de estructuras de hormign armado debe ser el producto de un diseo de mezclas a fin de cumplir una especificacin tcnica emitida por el profesional estructural (ingeniero estructural), donde se consideren las propiedades de sus componentes y a partir de aquello llegar a establecer una dosificacin al peso y luego la correspondiente dosificacin al volumen (p.99).
Estudios anteriores demuestran que, los porcentajes de agregado fino que se mezclan para obtener una combinacin son de un 80% cisco lavado de la cantera Uruzca y un 20% arena de banco del sector de Crucita del cantn Portoviejo. Estos han permitido que se puedan obtener las resistencias adecuadas y superarlas en los tiempos que ha durado la investigacin (Cedeo et al., 2022, p.35). Por otra parte, se afirma que las caractersticas de los agregados, tienen un efecto significativo en el comportamiento del hormign, tanto en estado fresco como endurecido, as como en las propiedades fsicas-mecnicas del mismo (Garca et al., 2023, p.17).
Es importante que los profesionales de la construccin previo a levantar una edificacin, puedan contar con estudios previos de la composicin de mezclas, y poder seleccionar la ms adecuada, para obtener estructuras ms duraderas y de alto rendimiento, por lo que se hace imperioso contar con suficiente informacin de como los agregados influyen en las propiedades del hormign.
Siendo el hormign el material ms utilizado ampliamente en la construccin, ya que se destaca por su durabilidad, versatilidad y capacidad para soportar cargas, los agregados que se emplean en su elaboracin deben de reunir las propiedades idneas para obtener una mezcla ms homognea. Su calidad se vincula a la seleccin idnea de los agregados finos y gruesos en la composicin de la mezcla, ya que desempean un papel fundamental y que puede influir en las propiedades mecnicas y fsicas del hormign.
Las propiedades del hormign dependen en gran medida de la calidad y proporciones de los componentes en la mezcla, y de las condiciones de humedad y temperatura, durante las etapas de fabricacin y de fraguado (NEC, 2015).
La resistencia a la compresin del hormign es esencial para la estabilidad de las estructuras, mientras que la porosidad influye en su durabilidad y resistencia a agentes externos, pudiendo acelerar la corrosin y el deterioro. Por su parte, Guerra et al., (2018) indica que, la determinacin conjunta de la resistencia a la compresin y el porcentaje porosidad capilar efectivo, se tuvo en cuenta en la evaluacin de la calidad del hormign y su proceso tecnolgico en el Ecuador a un solo diseo de mezcla.
La resistencia a la compresin y la porosidad, son dos criterios de durabilidad claves para determinar la calidad y el rendimiento del hormign en diversas aplicaciones dentro del campo de la ingeniera civil, por esta razn es importante tener en cuenta como una herramienta necesaria y suficiente sobre la durabilidad de las estructuras de hormign armado, no basta solamente la determinacin de la resistencia a la compresin, sino que adems se tiene la necesidad de obtener hormigones con un porcentaje de porosidad capilar efectivo inferior al 10% (Guerra et al., 2023, p. 9). Escobar et al., (2023) sostiene que, una de las propiedades del hormign endurecido, es la porosidad efectiva, que, al hablar de ello, nos referimos a la porosidad interconectada y conectada a su vez con el exterior, as mismo, es la mayor influencia al transporte de los agentes agresivos al interior de la estructura. (p.6).
La elaboracin de los especmenes de hormign, se la realizo con dos tipos agregados finos (agregado fino lavado y azul) extrados de la cantera de la provincia de Santo Domingo de los Tschilas, en el cantn Santo Domingo; dos tipos de agregados gruesos de 1/2" (12.5mm), y 3/4 (19mm), de la cantera ubicada en la provincia de Manab en el cantn Portoviejo y el uso de cemento Holcim GU, en base a la metodologa ACI, para posteriormente realizar el respectivo anlisis de comprobar la resistencia de los cilindros de hormign de 21MPa, con la composicin de mezcla de agregados finos y gruesos.
Estas composiciones sern denominadas, A que es el agregado fino lavado con agregado grueso de 1/2 (60/40); la composicin B, que est compuesto del agregado fino azul con agregado grueso de 1/2 (56/44); la composicin C, de agregado fino lavado con agregado grueso de 3/4 (62/38); y la composicin D, utilizando agregado fino azul con agregado grueso de 3/4 (58/42). Adems, de determinar el porcentaje de porosidad efectiva capilar.
Metodologa
Para efectuar los ensayos de cargas al hormign endurecido, se realiz en primera instancia los estudios a los agregados finos y gruesos, que forman parte de la composicin de mezclas y del hormign como parte del objeto de estudio, para ello se aplicaron las NTE-INEN, para conocer las propiedades fsicas y mecnicas de los mismos.
Los ensayos de laboratorio para la caracterizacin de los agregados, se realizaron dentro de las instalaciones de la Universidad Tcnica de Manab, estos fueron: densidad y porcentaje de absorcin, en base a la determinacin de la densidad relativa (gravedad especfica) y absorcin del rido fino (NTE INEN 0856); pesos sueltos y compactados de los agregados finos, se realiz el ensayo de masa unitaria (peso volumtrico) y el porcentaje de vacos (NTE INEN 0858). En cuanto a la granulometra se realiz acorde a la norma INEN 0696.
Salinas et al., (2023) sostienen que, la importancia de obtener componentes de hormign de alta calidad, es decir, el cemento utilizado cumpla con la densidad requerida, los agregados cumplan con la granulometra requerida y dentro de los lmites permitidos para el uso del sitio, y el agua utilizada fue potable, limpia y libre de materia orgnica, libre de qumicos como sulfatos y adems la importancia de fraguado y buen curado para asegurar la hidratacin completa del concreto para lograr la resistencia requerida. (p.3073).
Para la dosificacin del hormign se aplic los criterios del American Concrete Institute, A.C.I. 211.1, basada en la norma ASTM C33; adems de la NTE INEN. 1855-1:2015 y NTE INEN. 1855-2:2015.
En lo que respecta a la preparacin de las probetas, se confeccionaron un total de 28 muestras de hormign (figura 1), divididas en cuatro grupos segn la composicin de las mezclas: seis muestras para cada una de las combinaciones A, B, C y D, para resistencia a la compresin; para el ensayo de Porosidad Capilar, se utiliz una probeta por cada grupo, que fue cortada con un espesor de 3 cm.
Figura 1. Probetas de hormign.
Los ensayos de resistencia a la compresin fueron realizados en perodos de 7, 14 y 28 das de curado, siguiendo las directrices de la norma ASTM C39. Estos procedimientos se llevaron a cabo mediante el uso de una mquina de prueba de compresin (figura 2), con el propsito de evaluar y analizar la calidad del material.
Figura 2. Mquina de compresin.
Se procedi a la evaluacin de la porosidad capilar del hormign (Pc), utilizando cuatro diseos de dosificaciones diferentes. Este anlisis se lo realiz siguiendo la metodologa de Gran Fagerlund, cuyas directrices estn estipuladas en la norma respectiva. La medicin de la absorcin capilar de agua en probetas de hormign, se llev a cabo conforme a las indicaciones establecidas en la norma ASTM C 1585.
Una muestra de hormign fue elegida por cada composicin de mezcla y sometidas a un proceso de curado de 28 das. Utilizando una sierra de tungsteno de la marca estadounidense CUSHION CUT (figura 3), se realizaron cortes precisos, generando un conjunto completo de 12 especmenes, cada uno con un espesor uniforme de 3 cm; luego, las muestras se colocaron en el horno a 50C (figura 4), de acuerdo a lo que la normativa establece, facilitando un enfriamiento gradual que culmin en la estabilizacin del peso constante de la muestra.
Figura 3. Cortadora de especmenes. Figura 4. Secado especmenes 500C.
Posteriormente, se aplic una capa impermeabilizante de parafina a las reas laterales de las muestras hasta una altura de 1 cm. Adems, se mantuvo un nivel constante de agua a 2 mm por encima del borde inferior de las muestras, luego se pesaron en condiciones ambiente de 23C, antes del siguiente contacto con el agua. Luego, se anotaron los pesos en intervalos normalizados: desde 1/12 hasta 6 horas, para despus en intervalos diarios hasta 7 das.
El porcentaje de porosidad capilar efectiva se lo calcula por la siguiente formula 1:
k= El coeficiente de absorcin
m= La resistencia a la penetracin del agua ()
Materiales
Con el propsito de lograr una composicin de mezclas de agregados, que posibilite la obtencin de una resistencia a compresin especificada de 21 MPa y una resistencia a compresin media requerida de 29,4 MPa, para la presente investigacin, se utilizaron cuatro tipos de agregados, provenientes de dos canteras ubicadas en dos provincias del Pas. Dos agregados finos, el primer agregado fino azul y el segundo agregado fino lavado, los cuales provienen de la cantera de Santo Domingo; y, dos agregados gruesos de tamao de 1/2 y 3/4, de la cantera de Portoviejo, con lo que se pudo determinar su composicin. Respecto al cemento, se utiliz la marca Holcim que cumple con lo establecido en la Norma NTE INEN 2380, como un cemento Tipo GU para Uso General y ASTM C1157. En cuanto al aditivo utilizado fue Master Glenium 7971, que es un sper plastificante reductor de agua, que tiene como componente policarboxilatos, que determina su utilizacin en base del 0,6% del peso del cemento.
La composicin de las mezclas de hormign se detalla en la Tabla 1. Los moldes utilizados presentaron dimensiones de 100 mm de dimetro y 200 mm de altura.
Tabla 1. Resultados de las composiciones de mezclas.
Materiales |
Composicin A |
Composicin B |
Composicin C |
Composicin D |
Cemento, Kg |
384,30 |
384,30 |
359,10 |
359,10 |
Agregado grueso |
1023,76 |
946,04 |
1096,12 |
1018,40 |
Arena, Kg |
674,43 |
748,23 |
671,88 |
745,69 |
Agua, Lt |
211,0 |
211,0 |
198,0 |
198,0 |
Relacin a/c |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
Resultados y discusin
De los resultados obtenidos experimentalmente para la resistencia a la compresin, se pudo comprobar, tal y como se puede observar en la Tabla 2, donde se especifican las cuatro composiciones diferentes para nueve cilindros a los 7,14 y 28 das de curado.
Tabla 2. Resultados ensayo de resistencia a la compresin segn las composiciones.
Das |
Composicin A |
Composicin B |
Composicin C |
Composicin D |
Fc (Mpa) 60-40 |
Fc (Mpa) 56-44 |
Fc (Mpa) 62-38 |
Fc (Mpa) 58-42 |
|
7 |
17,51 |
16,13 |
15,77 |
16,02 |
14 |
19,19 |
17,65 |
18,60 |
18,29 |
28 |
21,62 |
20,95 |
20,90 |
20,85 |
A 7 das de curado, el hormign con la composicin A (agregado fino lavado con agregado grueso de 1/2), obtuvo 7,88% ms de resistencia a compresin que el hormign de composicin B (agregado fino azul con agregado grueso de 1/2); mientras, que el hormign de composicin D (agregado fino azul con agregado grueso de 3/4), super en un 1.56% la resistencia a compresin de composicin C (agregado fino lavado con agregado grueso de 3/4).
Cabe recalcar que, a los 14 das se aument el porcentaje al 8,03% de la composicin A (60/40), con respecto a la composicin B (56/44); existiendo un aumento de la composicin C del 1,67% en referencia a lo alcanzado en la composicin D.
Partiendo de los resultados obtenidos a los 28 das, el hormign con la composicin A, cuya mezcla es agregado fino lavado con agregado grueso de 1/2 (60/40), se obtuvo la resistencia mxima en base a las otras composiciones realizadas. En relacin, a las composiciones del agregado grueso de 3/4, la composicin C (62/38), supero levemente en un 0,24% respecto a la composicin D. Finalmente, ningunas de las cuatros composiciones logr una resistencia a compresin media requerida de 29,4 MPa.
Porosidad efectiva capilar
Para la realizacin de los ensayos de porcentaje de porosidad efectiva, se analizaron las cuatro composiciones, como se lo demuestra en la Tabla 3, obteniendo los resultados promedio mediante el mtodo de absorcin, para cada una de las composiciones de los diseos de mezcla.
Tabla 3. Resultados ensayo de porcentaje de porosidad capilar.
Porosidad efectiva para las composiciones A, B, C y D |
||||
Composicin |
Total de cilindros |
Total de cilindros |
Porosidad efectiva (%) |
Porosidad promedio efectiva (%) |
A |
3 |
A1 |
8,28 |
9,06 |
A2 |
9,76 |
|||
A3 |
9,13 |
|||
B |
3 |
B1 |
9,62 |
9,78 |
B2 |
10,21 |
|||
B3 |
9,51 |
|||
C |
3 |
C1 |
10,12 |
10,20 |
C2 |
9,94 |
|||
C3 |
10,53 |
|||
D |
3 |
D1 |
12,75 |
11,93 |
D2 |
11,31 |
|||
D3 |
11,72 |
Segn la Red Iberoamericana XV.B. DURAR (Durabilidad de la armadura) del ao 1997, del Programa CYTED (Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo), los criterios de evaluacin son, un hormign con un porcentaje de porosidad efectiva menor o igual al 10% se considera de buena calidad y compacidad. Porosidad efectiva entre el 10% y el 15% se considera de moderada calidad y si el porcentaje es >15%, indica un hormign de durabilidad inadecuada.
Las combinaciones A, B y C presentan una porosidad efectiva menor o igual al 10%, lo cual, las clasificara como hormigones de buena calidad. Por otro lado, la composicin D presenta un porcentaje de porosidad promedio efectiva de 11.93%, superando el 10%, lo que la ubicara en la categora de evaluacin de calidad moderada.
Resistencia a la compresin y Porosidad efectiva Capilar
De los resultados obtenidos en los ensayos realizados a las cuatro composiciones que se muestran en la Tabla 4, la composicin A cumple con los requisitos de resistencia a compresin especificada de 21 MPa y tienen una porosidad efectiva menor al 10%, lo que la clasifica como un hormign de buena calidad y compacidad. Sin embargo, la composicin B, en cuanto a la resistencia a la compresin est muy levemente por debajo de la especificada, mientras que la porosidad efectiva cumple con el porcentaje. Adems, las combinaciones C y D, no cumplen con la resistencia mnima de 21MPa, obteniendo una porosidad efectiva en el rango de 10% a 15%, lo que las clasifica en la categora de moderada calidad.
Tabla 4. Resultados resistencia a la compresin y porcentaje de porosidad capilar.
Composiciones |
Resistencia a la compresin (Mpa) |
Porosidad promedio efectiva, % |
A |
21,62 |
9,06 |
B |
20,95 |
9,78 |
C |
20,90 |
10,20 |
D |
20,85 |
11,93 |
Conclusiones
En los ensayos de resistencia a la compresin, se observ que la composicin A (60/40), obtuvo la mayor resistencia especifica despus de 28 das de curado, pero ninguna alcanzo la resistencia media requerida
De acuerdo con las pautas de la Red DURAR (1997), las composiciones A y B presentan una porosidad efectiva menor al 10%, lo que las clasifica como de alta calidad. Por otro lado, la composicin C y D supera este lmite antes mencionado de porosidad efectiva, categorizndola como de calidad media.
De los diseos de mezcla realizados, solamente la composicin A cumple con los requisitos de resistencia y porosidad efectiva menor al 10%, mientras que las otras composiciones no cumplen en su totalidad.
Una buena seleccin de agregados, ms una composicin adecuada es crucial para conseguir una mezcla de hormign en trminos de calidad y desempeo.
Referencias
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