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2002 II IC 37 CONCRETO REFORZADO CON PARTICULAS DE MATERIAL CER`MICO HARVEY EDUARDO ZABALA QUINTERO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2002
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2002 � II � IC � 37
CONCRETO REFORZADO CON PARTICULAS DE MATERIAL CERÁMICO
HARVEY EDUARDO ZABALA QUINTERO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTA
2002
2002 � II � IC � 37
CONCRETO REFORZADO CON PARTICULAS DE MATERIAL CERÁMICO
HARVEY EDUARDO ZABALA QUINTERO
PROYECTO DE GRADO
DIRECTOR
ALBERTO SARRIÁ MOLINA
INGENIERO CIVIL
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTA
2002
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AGRADECIMIENTOS
De manera muy especial quiero expresar agradecimientos a mis padres que con el paso de
los años me han ido orientando en mi formación profesional, y me han apoyado para poder
alcanzar mis metas.
Agradezco también a todos aquellos que estuvieron atentos a prestarme su ayuda
incondicional, no solamente en la realización de este proyecto de grado, sino en todo el
recorrido de ésta carrera.
Al profesor Alberto Sarriá por su asesoría técnica y sus consejos personales.
A Sika Andina S.A., por el suministro del superplastificante.
Al personal del laboratorio, por su colaboración y atención dentro de las instalaciones del
CITEC.
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LISTA DE TABLAS pág.
Tabla 1. Compuestos del cemento
Tabla 2. Fases de compuestos en el cemento
Tabla 3. Clasificación del cemento por tipos según las fases que lo conforman
Tabla 4. Propiedades del Carburo de Silicio
Tabla 5. Contenido de cemento en un concreto de 3000 psi
Tabla 6. Volumen de concreto y cantidad de cemento en un cilindro estándar
Tabla 7. Porcentajes de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I
Tabla 8. Cantidad en peso de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I
Tabla 9. Cantidad en peso de Carburo de Silicio ha adicionar
Tabla 10. Mezclas y numero de probetas fabricadas
Tabla 11. Propiedades físicas del agregado
Tabla 12. Análisis granulométrico del agregado fino
Tabla 13. Análisis granulométrico del agregado grueso
Tabla 14. Granulométrica optima según los rangos de Fuller y Thompson
Tabla 15. Granulométrica más adecuada a partir de los rangos de Fuller y Thompson
Tabla 16. Mezcla de Prueba
Tabla 17. Primera mezcla de patrón
Tabla 18. Mezcla AA para encontrar la relación A/C y el contenido de agua
Tabla 19. Mezcla BB para encontrar la relación A/C y el contenido de agua
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Tabla 20. Segunda, tercera y cuarta mezcla patrón
Tabla 21. Primera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla A)
Tabla 22. Segunda mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla B)
Tabla 23. Tercera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla C)
Tabla 24. Cuarta mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla D)
Tabla 25. Resultados de resistencia a la compresión de la mezcla de prueba
Tabla 26. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas AA y BB
Tabla 27. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas A y A�
Tabla 28. Constante K del cemento
Tabla 29. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas B y B�
Tabla 30. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas C y C�
Tabla 31. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas D y D�
Tabla 32. Análisis de precios unitarios de un concreto de 3000 psi
Tabla 33. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Carburo de silicio
Tabla 34. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Microsílice
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LISTA DE ANEXOS
Anexo No. 1 Curva granulométrica del agregado fino.
Anexo No. 2 Curva granulométrica del agregado grueso.
Anexo No. 3 Proporciones del agregado para obtener la granulométrica más adecuada y
granulometría más adecuada.
Anexo No. 4 Aumento de resistencia vs. Proporción de carburo de silicio.
Anexo No. 5 Aumento de resistencia vs. Aumento de peso de las probetas.
Anexo No. 6 Aumento de resistencia vs. Edad del concreto
Anexo No. 7 Juego de Tamices, Picnómetro, Horno y Balanza.
Anexo No. 8 Pala, Balde, Palustre, Cuchara y Camisas.
Anexo No. 9 Bandeja, Cono de asentamiento, Varilla de compactación y Palustre.
Anexo No. 10 Pedestal con guía y recipiente del azufre. Maquina Universal marca Forney.
Anexo No. 11 Probetas de concreto de alta resistencia.
Anexo No. 12 Probetas de concreto de resistencia normal.
Anexo No. 13 Partículas de Carburo de Silicio.
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1. INTRODUCCIÓN
En busca de fortalecer la micro-estructura del concreto por medio de aditivos para producir
un concreto con ciertas propiedades mecánicas superiores a las del concreto convencional,
a través del tiempo se han utilizado adiciones de fibras, partículas y puzolanas, que han
permitido observar el comportamiento del material en la mezcla de concreto y el efecto en
las propiedades físicas, químicas y mecánicas del producto final.
Considerando la pasta de cemento como la matriz fundamental del concreto y teniendo en
cuanta las cuatro fases de compuestos principales que la conforman, en este Proyecto de
grado se presentan las propiedades físicas y mecánicas del concreto, al adicionarle Carburo
de Silicio (SiC � material cerámico), y aumentar la resistencia a la compresión,
convirtiendo el producto final en un Concreto de alta resistencia.
Por ultimo, con los resultados obtenidos se analiza la relación beneficio costo que implica
la implementación de este material en el diseño de mezcla.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVOS GENERALES
• Por medio de ensayos de laboratorio determinar la respuesta mecánica del concreto
reforzado con partículas de material cerámico.
• Evaluar el beneficio obtenido por el concreto reforzado con partículas de carburo de
silicio ante el sobre costo efectuado por la adición del material cerámico.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Presentar en forma clara y concisa la definición y clasificación de los elementos
básicos necesarios para el entendimiento de la investigación.
• Encontrar la proporción ideal de carburo de silicio para adicionar, con la cual se
obtiene un concreto con mejores propiedades mecánicas que las del concreto
convencional.
• Investigar bibliográficamente las propiedades del carburo de silicio, y evaluar
experimentalmente el comportamiento de las partículas cerámicas dentro de una
matriz cerámica.
• Con base a los resultados obtenidos evaluar el beneficio adquirido en el diseño de
estructuras, por el concreto reforzado con partículas de carburo de silicio, teniendo
en cuenta el sobre costo causado por la adición del material cerámico.
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3. GENERALIDADES
El Hormigón o Concreto es básicamente una mezcla de dos componentes:
Pasta y agregado. La pasta, está compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o
aire incluido intencionalmente, que tiene como función principal la unión de los agregados
(arena, gravilla y/o grava), que unidos forman una masa parecida a una roca, pues la pasta
endurece debido a la reacción química entre el cemento y el agua.
Los agregados para concreto se dividen en: finos y gruesos. Generalmente se emplean
agregados gruesos con tamaño máximo de 19 o de 25 mm y arenas naturales (de río) como
agregados finos.
A groso modo, la pasta constituye el 25 al 40% del volumen total del concreto, el cemento
comprende entre el 7 y el 15% y el agua entre el 14 y el 21%. El contenido de aire y
concretos con aire incluido puede llegar hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo
del tamaño máximo de los agregados gruesos.
Como los agregados constituyen aproximadamente del 60 al 75% del volumen total del
concreto, su selección es importante. Los agregados deben ser partículas que se
complementen unas con otras, que tengan una gradación tal que los espacios entre las
partículas mas grandes, sean ocupadas por partículas de menor tamaño y así sucesivamente,
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en otras palabras, deben tener una granulometría continua de tamaños de partículas.
Además, no deben tener un alto contenido de arcilla, limo, sales inorgánicas o material
orgánico, que afecte el comportamiento químico interno del concreto, de forma que
perjudique su resistencia y composición.
Para un conjunto dado de estos materiales y de las condiciones de curado, la cantidad y uso
del concreto está determinada por la relación agua/cemento (A/C), razón que indica la
cantidad de agua utilizada en la mezcla de acuerdo a la cantidad de cemento presente en un
metro cúbico de concreto.
Al reducir el contenido de agua en la mezcla de concreto se obtienen diversas ventajas:
• Se incrementa la resistencia a la compresión y a la flexión.
• Se tiene menor permeabilidad y por ende menor absorción.
• Se logra una mejor unión entre capas sucesivas y entre el concreto y el refuerzo.
• Se reducen las tendencias de agrietamientos por contracción.
El concreto posee diversas propiedades según el estado en que se encuentre (estado fresco o
plástico, y estado endurecido), que se pueden modificar agregando aditivos al concreto. Los
aditivos se usan comúnmente para:
• Ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento.
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• Reducir la demanda de agua.
• Mejorar la manejabilidad.
• Incluir intencionalmente aire, y
• Ajustar otras propiedades del concreto.
Después de una proporción adecuada, así como, mezclado, colocación, compactación,
acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un material de construcción
resistente, durable, no combustible, de resistencia al desgaste, que requiere poco
mantenimiento y que se ha convertido en la estructura fundamental de la construcción en
nuestro país.
El concreto usado normalmente tiene una resistencia comprendida entre los 2000 psi (14
MPa, 140 Kg/cm²) y los 5000 psi (35 MPa, 350 Kg/cm²), siendo el concreto de 3000 psi
(21 MPa, 210 Kg/cm²) el que más se utiliza en el país.
3.1 RESEÑA HISTÓRICA
La historia del concreto es paralela a la historia del hombre en la búsqueda de un espacio
para vivir en comodidad, seguridad y protección posible. Desde que el ser humano supero
la época de las cavernas, a centrado su atención en delimitar su espacio vital, satisfaciendo
primero sus necesidades de vivienda y después levantando construcciones con
requerimientos específicos.
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El pueblo egipcio uso el yeso calcinado para dar al ladrillo o a las estructuras de piedra una
capa lisa. Los constructores griegos tuvieron una aplicación similar para la piedra caliza
calcinada.
Los Romanos utilizaron con frecuencia el agregado quebrado del ladrillo embutido, en una
mezcla de la masilla de la cal con polvo del ladrillo o la ceniza volcánica. Construyeron una
variedad de estructuras donde incorporaron la piedra y el concreto, entre estas estructuras se
incluyen los caminos, los acueductos, los templos y los palacios. Utilizaron losas de
concreto en muchas de sus estructuras públicas grandes como el Coliseo y el Partenón.
Para aligerar el peso de estructuras enormes, encajonaron tarros de barro vacíos en las
paredes. También utilizaron barras de metal como refuerzos en el concreto.
John Smeaton, uno de los grandes ingenieros del siglo XVIII, había encontrado que
combinar la cal viva con arcilla, arena y escoria de hierro machacada, creaba un material
extremadamente duro que se podría utilizar para unir otros materiales. Él utilizó este
conocimiento para construir la primera estructura de concreto desde la Roma antigua,
construyo de la misma forma el faro de Eddystone en Inglaterra durante el año de 1774.
Los faros anteriores hasta este punto habían sido destruidos por las tormentas.
En 1816 se construyó el primer puente de concreto (no reforzado) en Souillac, Francia.
En 1824, James Parker, Joseph Aspdin patentan al Cemento Portland, materia que
obtuvieron de la calcinación a altas temperaturas de una caliza arcillosa. El nombre del
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cemento Portland le fue dado por la similitud que éste tenia con la piedra de la isla de
Portland del canal ingles.
En 1825 se construyó el canal de Erie, con el primer concreto moderno producido en
América. Se utilizó cemento hecho de la cal hidráulica, encontrada en los condados
Cayuga y Onondaga de Madison en Nueva York.
En 1845, Isaac Johnson obtiene el prototipo del cemento moderno, quemando a alta
temperatura una mezcla de caliza y arcilla hasta la formación del clínker.
En 1904, la American Standard For Testing Materials (ASTM), publica por primera ves
sus estandares de calidad para el cemento Portland.
En 1905, Frank Lloyd Wright comenzó la construcción del templo de la Unidad en Oak
Park, Illinois. Esta construcción tardo tres años, y se trata de una estructura con cuatro caras
idénticas de modo que su costoso encofrado se pudiera utilizar varias veces.
En la década de los cincuenta ante la gran variedad de resistencias, se opto por clasificar el
concreto según la resistencia obtenida. Los concretos cuya resistencia superara los 5000 psi
(35 MPa, 350 Kg/cm²), eran denominados concretos de alta resistencia (en ingles High
Strenght Concrete - HSC).
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Más adelante en la década de los sesenta se considero de alta resistencia de los 6000 psi (42
MPa, 420 Kg/cm²) a los 7500 psi (52.5 MPa, 525 Kg/cm²). Por ultimo, en el año de 1979
el ACI (American Concrete Institude) en compañía de la industria de concretos y
cementos americana, crean un comité para que sea el encargado de estudiar e investigar
sobre las características y propiedades del concreto de alta resistencia, con lo cual
establecen que se habla de éste cuando se obtienen resistencias a la compresión entre los
6000 psi (42 MPa, 420 Kg/cm²) y los 14.000 psi (98 MPa, 980 Kg/cm²), medida a los 56
días de curado; si se obtiene un concreto con resistencia superior a los 14.000 psi (98 MPa,
980 Kg/cm²), medida a los 56 días de curado, se dice entonces que es un Concreto de Ultra
Alta resistencia.
El principal uso de los concretos de alta resistencia o de mayor resistencia que estos, ha
sido para disminuir la sección de las columnas inferiores en los edificios de gran altura; de
esta manera se pretende lograr una mayor área disponible, y mejorar la estética de las
edificaciones de gran tamaño.
En 1987, nace el sistema de encofrado Room Túnel, sistema de "medio túnel" que es
simple, ligero y rápido de manejar, que permite crear moldes para fundir muros con
rapidez, y crear edificaciones para vivienda en poco tiempo con la ayuda de concreto de
buena resistencia a edades tempranas.
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A través del tiempo se han ido construyendo edificaciones y estructuras de gran
envergadura que han hecho del concreto el material más confiable, económico y versátil
para la construcción en las ciudades.
3.2 TIPOS DE CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
Un concreto de alta resistencia se puede clasificar según el tiempo que tarde en adquirir la
resistencia especificada y de acuerdo a los materiales que se utilicen para su producción:
3.2.1 Según el tiempo que tarde en tomar la resistencia esperada
De alta resistencia inicial. Son aquellos que alcanzan resistencias del orden de 2850 psi
(20 MPa, 200 Kg/cm²) en los primeros 3 días, y a lo largo del tiempo aumenta su
resistencia progresivamente. En este grupo también se consideran aquellos concretos que
alcanzan resistencias de 6000 psi (42 MPa, 420 Kg/cm²) en los primeros tres días, estos
concretos mantienen esa misma resistencia hasta los 28 días de edad. Se obtienen
utilizando cemento portland tipo III, aditivos acelerantes y superplastificantes.
De alta resistencia final. Estos son los concretos que obtienen una resistencia alta a los 56
y 90 días con resistencias mínimas del orden de 42 MPa (6000 psi, 420 Kg/cm²). Estos
concretos presentan un ascenso muy lento en su resistencia a edades tempranas, pero un
aumento súbito en edades posteriores. A los 56 días de edad, alcanza una resistencia entre
el 10% y el 15% mas alta que la obtenida a los 28 días, y a los 90 días de edad alcanza una
resistencia entre el 18% y el 23% mas alta que la obtenida a los 28 días. Este tipo de
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concreto se fabrica por medio de cemento portland tipo I, agregados triturados de muy
buena calidad con tamaños máximos nominales de 12 mm a 19 mm, y se debe adicionar un
aditivo reductor de agua (superplastificante).
3.2.2 Según los materiales empleados en su fabricación
De altos contenidos de cemento. Es aquel que alcanza grandes resistencias por medio de
altas cuantías de cemento, son del orden de 450 Kg por metro cúbico de mezcla. Es común
utilizar cementos tipo I o III, obteniendo concretos con asentamientos entre 0 a 10 cm, por
lo cual es necesario utilizar compactación por medio de vibrado. Los concretos producidos
con estas cuantías de cemento y empleando relaciones A/C de 0.41, logran obtener
resistencias de 8960 psi (63 MPa, 630 Kg/cm²) al adicionar a la mezcla microsílice y
aditivos reductores de agua.
De agregados y cementos especiales. Es aquel que alcanza grandes resistencias por medio
de cemento tipo III y agregados naturales o artificiales de densidades altas, que permiten un
buen manejo y confieren al concreto alta resistencia y ganancia en cuanto a desgaste. El
resultado obtenido por la utilización de estos agregados, depende de la textura, la forma y el
tamaño, auque pueden presentarse problemas de segregación con los agregados de mayor
tamaño. La segregación es el descenso del agregado durante el endurecimiento del
concreto en el encofrado.
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De aditivos y adiciones. Son los concretos de alta resistencia que se obtienen a partir de la
adición precisa de elementos naturales o artificiales, diferentes a los componentes del
concreto. Los aditivos más usados son los reductores de agua, retardantes, acelerantes,
puzolanas, microsílice y las escorias de alto horno. Estos aditivos se incorporan en la
mezcla con respecto al peso de cemento contenido en un metro cúbico del concreto.
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4. MARCO TEORICO
4.1 MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos son aquellos que se forman a partir de dos o más materiales
para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener de los materiales
originales. Los materiales compuestos se clasifican en tres categorías:
• Materiales compuestos con partículas.
• Materiales compuestos con fibras.
• Materiales compuestos laminares.
El concreto es un material compuesto particulado. Se compone de partículas granulares
que proporcionan propiedades isotrópicas al material resultante. Cuando se habla de un
material con propiedades isotrópicas, se esta especificando que éste posee las mismas
propiedades mecánicas en todas las direcciones dentro de la matriz del material.
La eficiencia y buen desempeño de un material compuesto radica en la buena elección de
los materiales que lo conforman. Un material compuesto esta formado por dos fases, una
fase continua que por lo general esta presente en mayor cantidad, y se conoce técnicamente
como matriz; y una fase dispersa que por lo general esta presente en menor cantidad, y se
conoce como precipitado o agregado. Cuando la matriz de un material compuesto se
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refuerza con un precipitado de menor tamaño al del precipitado inicial, a este agregado
minúsculo se le denomina microconstituyente.
En general, existen ciertas consideraciones para determinar la forma en que las
características de matriz y precipitado particulado, afectan las propiedades de un material
compuesto:
• La matriz debe ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro y resistente.
• El precipitado debe ser discontinuo, mientras la matriz debe ser continua.
• La partícula de precipitado debe ser lo más granular posible, para no generar
concentración de esfuerzos en sus extremidades.
Al utilizar una partícula diminuta (diámetro entre 10 y 250 nm) como microconstituyente
de una matriz, se genera una efecto de dispersión en el material continuo, bloqueando la
propagación de posibles fisuras dentro del material y generando un endurecimiento mayor
en la matriz.
Cuando el microconstituyente es compatible con los compuestos que conforman la matriz,
las partículas adicionadas reaccionan superficialmente con los compuestos dispersos en el
material continuo, lo que mejora la estructura del material y permite obtener mejores
respuestas mecánicas. Una grieta que se mueva a través de la matriz, encontrará una
partícula, por lo cual la grieta se ve obligada a propagarse alrededor ésta; si la unión entre
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la partícula y la matriz es buena, se requiere de gran energía para separar la partícula del
medio continuo.
Los materiales compuestos de matriz cerámica (como la pasta de cemento) y partículas
cerámicas, tienen una mejor resistencia y tenacidad a la fractura en comparación con
productos cerámicos convencionales.
4.2 PROPIEDADES DEL CONCRETO
El concreto tiene varias propiedades que lo hacen ser el material mas usado en la
construcción. La correcta proporción de los elementos que lo componen, el fraguado y el
curado, son los procesos necesarios para obtener propiedades optimas en la mezcla final.
El concreto tiene una larga vida, y debido a que relativamente no requiere de
mantenimiento, es un material económico a lo largo de su vida útil.
Este material tiene la capacidad de ser moldeado y de acomodarse a la morfología de todo
tipo de superficie. Una vez ha endurecido es resistente a los cambios climáticos, pero a
pesar de sus ventajas tiene algunas limitaciones ya que resiste bajos esfuerzos de tensión
(comparado con otros materiales de construcción), tiene baja ductilidad, entre otras.
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4.2.1 Propiedades en estado fresco
Cohesión y manejabilidad. Son características que contribuyen a evitar la segregación y
facilitar el manejo durante su colocación en el encofrado. Estos aspectos del concreto fresco
adquieren importancia en obras donde las condiciones de colocación son difíciles y hacen
necesario el uso de bomba o el vaciado por gravedad.
Prácticamente la finura es la única característica del cemento que puede aportar beneficio a
la cohesión y la manejabilidad de las mezclas de concreto, por tanto, los cementos de
mayor finura como el portland tipo III o los portland-puzolana serían recomendables en
este aspecto. Sin embargo, existen otros factores con efectos más decisivos para evitar que
las mezclas de concreto se segreguen durante su manejo y colocación. Entre tales factores
puede mencionarse la composición granulométrica, el tamaño máximo del agregado y el
diseño de la mezcla de concreto.
Pérdida de revenimiento. Este término se acostumbra usar para describir la disminución
de consistencia o aumento de rigidez que una mezcla de concreto sufre desde que sale de la
mezcladora hasta que termina colocada y compactada en el encofrado. Lo ideal sería que la
mezcla de concreto conservara su consistencia original durante todo este proceso, pero por
lo general no es así y ocurre una pérdida gradual, que puede ser causada por la temperatura
del ambiente, la presencia de sol y viento, y la manera de transportar el concreto desde la
mezcladora hasta el lugar de colado.
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La pérdida de revenimiento también puede ocasionarse por la consistencia o fluidez inicial
de la mezcla, la humedad de los agregados, el uso de ciertos aditivos y las características y
contenido unitario del cemento.
Asentamiento y sangrado. Una vez el concreto queda en reposo después de colocarlo y
compactarlo dentro del encofrado, se inicia un proceso natural mediante el cual los
componentes más pesados (cemento y agregados) tienden a descender dentro de la mezcla,
mientras que el agua que es menos densa tiende a ascender. A estos fenómenos se les llama
respectivamente asentamiento y sangrado, y cuando se producen en exceso provocan cierta
estratificación indeseable en la masa de concreto, según la cual se forma en la superficie
superior una capa menos resistente y durable por su mayor concentración de agua.
Los principales factores que influyen en el asentamiento y el sangrado del concreto son
exceso de fluidez en las mezclas, características deficientes de forma, textura superficial y
granulometría en los agregados (particularmente falta de finos en la arena).
4.2.2 Propiedades en estado endurecido
La resistencia a la compresión. Se puede definir como la máxima resistencia de un
espécimen de concreto obtenida al aplicar una carga axial. Generalmente se expresa en
kilogramos por centímetro cuadrado (Kg/cm2) o en libras por pulgada cuadrada (psi). Esta
resistencia se obtiene a los 28 días de edad, y se le designa con el símbolo f�c. Para
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determinar la resistencia a la compresión, se realizan pruebas en probetas estándar de
concreto, que consisten en cilindros de 30 cm de alto por 15 cm de diámetro.
La resistencia a la flexión. Se utiliza generalmente al diseñar pavimentos y otras losas
sobre el terreno. La resistencia a la compresión se puede utilizar como índice de la
resistencia a la flexión, una ves que entre ellas se ha establecido la relación empírica para
los materiales y el tamaño del elemento. La resistencia a la flexión, también llamada
modulo de ruptura, se aproxima a menudo de 1.99 a 2.65 veces el valor de la raíz cuadrada
de la resistencia a la compresión.
La resistencia a la tensión. Es aproximadamente del 8 al 12% de la resistencia a la
compresión y a menudo se estima como 1.33 a 1.99 veces la raíz cuadrada de la resistencia
a la compresión. La resistencia a la tensión se obtiene fallando varias probetas estándar por
medio de la tracción brasilera o tracción indirecta, que consiste en someter a carga axial
un cilindro en posición transversal.
El modulo de elasticidad. Denotando por medio del símbolo E, se puede definir como la
relación del esfuerzo normal y la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o
de compresión por debajo del limite de proporcionalidad de un material. Para concretos de
peso normal, E fluctúa entre 140.600 y 422.000 Kg/cm².
Resistencia a congelación y deshielo. El concreto utilizado en estructuras y pavimentos se
espera que tenga una vida larga y un bajo mantenimiento. Debe tener buena durabilidad
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para resistir condiciones de exposición a la intemperie. El factor más destructivo es la
congelación y el deshielo mientras el concreto se encuentra húmedo, ya que el
congelamiento del agua causa deterioro en la pasta, en las partículas del agregado o en
ambos. Con la inclusión de aire el concreto es sumamente resistente a este deterioro.
Durante el congelamiento el agua se desplaza por la formación de hielo, en la pasta se
acomoda de tal forma que no resulta perjudicial; las burbujas de aire en la pasta suministran
cámaras donde se introduce el agua y así se alivia la presión hidráulica generada.
Permeabilidad y hermeticidad. El concreto empleado en estructuras que retengan agua o
que estén expuestas al agua lluvia, debe ser �impermeable y hermético�. La hermeticidad se
define como la capacidad del concreto de refrenar o retener el agua sin escapes visibles. La
permeabilidad se refiere a la cantidad de infiltración de agua a través del concreto cuando el
agua se encuentra a presión, o a la capacidad del concreto de resistir la penetración de agua
u otras sustancias liquidas.
La permeabilidad total del concreto al agua es una función de la permeabilidad de la pasta,
de la permeabilidad y granulometría del agregado, y de la proporción relativa de la pasta
con respecto al agregado. La permeabilidad de la pasta es muy importante, ya que la pasta
recubre a todos los constituyentes del concreto. La permeabilidad de la pasta depende de la
relación A/C, del agregado y de la hidratación del cemento durante el curado. Un concreto
de baja permeabilidad requiere de una relación A/C baja y un periodo de curado húmedo
adecuado. La inclusión de aire ayuda a la hermeticidad.
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Resistencia al desgaste. Los pavimentos, pisos y estructuras hidráulicas están sujetos al
desgaste, por lo cual el concreto debe tener una resistencia elevada a la abrasión. Los
resultados de pruebas indican que la resistencia a la abrasión o desgaste esta estrechamente
relacionada con la resistencia la compresión del concreto. Un concreto de alta resistencia a
la compresión tiene mayor resistencia a la abrasión que un concreto de resistencia normal.
4.3 FRACTURA DEL CONCRETO
Un espécimen de concreto que se somete a esfuerzos de compresión o de tensión (debidos a
cargas o a flexión directa), se comporta de forma elástica-lineal hasta cierto punto. Este
punto indica la iniciación de la microfisuración, y el comienzo del comportamiento plástico
del material.
Las fisuras crecen lentamente con respecto a la fisura principal (la más grande e inicial),
hasta que la zona de microfisuras alcanza cierto tamaño, que permite la propagación rápida
de las fisuras hasta que se llega a la fractura del espécimen.
La fractura o ruptura del concreto puede iniciarse en alguna de las siguientes zonas:
• En la matriz o pasta de cemento.
• En las partículas del agregado.
• En la interfase entre el agregado y la pasta.
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La zona de fractura inicial del concreto depende de las fuerzas cohesivas del cemento, de la
elasticidad de los agregados y de las fuerzas adhesivas del agregado con la pasta,
respectivamente.
4.3.1 Propagación de fisuras en la pasta de cemento. Las fisuras en la pasta de cemento
nacen por la poca ductilidad que posee este elemento y por la resistencia de las fases que lo
componen. La pasta de cemento se puede clasificar como un material cerámico que es
demasiado rígido, y al generarse dentro de él una fisura ésta continua a lo largo del
elemento a menos que se encuentre con un obstáculo que le permita seguir avanzando.
4.3.2 Influencia de los agregados en la propagación de fisuras. Es poco probable que la
fisura se genere en el agregado del concreto, ya que se requiere mayor energía que la
necesaria para generar la fisura en la pasta de cemento. Sin embargo, el tipo de agregado
puede dificultar o facilitar la propagación de fisuras, pues cuando la fisura llega hasta el
agregado, puede atravesarlo o desviarse alrededor de él. En el primer caso, la energía de
ruptura que acompaña a la fisura se mantiene constante, pero en el segundo caso, la
demanda de energía se aumenta al aumentarse el área de figuración. Esto indica que entre
más grande sea el agregado, con mayor facilidad se propagan las fisuras alrededor de él.
4.3.3 Interfase entre la pasta y el agregado. La adherencia entre el agregado y la pasta
de cemento es fundamental, ya que ésta es más débil cuando los agregados son grandes. Al
generarse una fisura en la interfase entre la pasta de cemento y un agregado grande, no solo
se propaga esta fisura sino que además genera fisuras secundarias. Esta adherencia
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depende de la textura del agregado, ya que si este es liso, la fisura tendera a propagarse
alrededor de él, pero si por el contrario éste es rugoso, se generara una mayor demanda de
energía para que la fisura se propague alrededor de él, lo que conllevara a la propagación de
la fisura a través del agregado. El agua que quede atrapada en los intersticios del agregado,
facilita la propagación de fisuras, y perjudica la adherencia de éste a la pasta de cemento.
Durante el fraguado del concreto se generan las primeras fisuras en la interfase del
agregado y la pasta de cemento. Estas fisuras ocurren por la segregación del agregado más
grande y por la retracción del concreto durante el endurecimiento.
4.4 USOS Y ANTECEDENTES DE LAS ADICIONES EN EL CONCRETO
A principios de la década de los cincuentas, se hicieron investigaciones adicionando
diferentes tipos de fibras para obtener concretos con mayor resistencia a la tracción y mayor
ductilidad, dando origen al concreto reforzado con fibras (CRF), que es una mezcla de
cemento, agregados, agua, aditivos y fibras discontinuas, las cuales hoy son producidas en
varias formas y tamaños, en acero, plástico, asbesto, nylon, vidrio, etc.
Los efectos en las propiedades mecánicas del concreto, dependen del material de la fibra,
del largo y de la sección transversal de ésta.
4.5 COMPONENTES DEL CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
Los materiales utilizados para la producción del concreto de alta resistencia, deben cumplir
con un mayor control de calidad que el requerido para concretos de resistencia normal.
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Para fabricar el Concreto reforzado con partículas de material cerámico, se emplearon los
siguientes materiales: Cemento Pórtland tipo I, Arena de río, Gravilla, Agua, Carburo de
Silicio y Superplastificante.
4.5.1 El Cemento. El cemento Pórtland se fabrica a partir de materiales calcáreos como la
caliza y materiales arcillosos con alto contenido de alúminia y sílice. La caliza y la arcilla
se mezclan en proporciones que dependen de la composición de los materiales. En general,
la proporción de caliza es cuatro veces mayor a la de arcilla, y existen diferentes tipos de
calizas que pueden ser utilizadas en la fabricación del cemento.
La única caliza que no puede utilizarse para este proceso, es aquella que posee altas
cantidades de magnesio, ya que presentan cambios volumétricos en la pasta de cemento
endurecida, ocasionando fisuramiento y fallas tempranas en cuanto a sus propiedades
mecánicas.
Estas materias primas se muelen y se mezclan, para luego calcinarlas en un horno rotatorio
a una temperatura entre 1400 y 1650 °C (2550 y 3000 °F), buscando sintetizar y fundir
parcialmente el material para formar el clínker. En este rango de temperaturas, los
compuestos reaccionan químicamente para formar los silicatos (compuestos de Calcio,
Sílice y Oxigeno).
El clínker se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino que posteriormente se mezcla
con yeso para producir el cemento Pórtland.
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El proceso de fabricación del cemento comprende las siguientes etapas principales:
• Extracción de materias primas
• Dosificación, molienda y homogenización de materias primas
• Clinkerización
• Enfriamiento
• Molienda de clínker y adiciones de yeso
• Empaque y distribución
No es necesario un tipo de cemento especifico para producir un concreto de alta resistencia,
pero según estudios previos, se ha encontrado que se obtienen mejores resistencias cuando
se hacen mezclas con cemento Portland tipo II. Para este proyecto de grado se trabajó con
concreto Portland tipo I fabricado por Cementos 1A, ya que se quería observar el aumento
en la resistencia a la compresión debida a la adición de Carburo de Silicio, empleando los
materiales que se utilizan para la producción de un concreto convencional de resistencia de
3000 psi.
Propiedades Químicas. El proceso de Clinkerización del cemento, transforma las
materias primas en fases de compuestos mas complejos. Estas fases de compuestos se
forman en el interior del horno rotatorio cuando la temperatura alcanza un punto en que la
mezcla cruda de materias primas se convierte en un material liquido pastoso, que al
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enfriarse crea fases de compuestos cristalinos, rodeados por un material más abundante e
intersticial que contiene cuatro moléculas de Oxido de calcio (Cal), una molécula de Oxido
de aluminio (Aluminato) y una molécula de Oxido de Hierro (Hierro). Este material se
denomina Ferroaluminato tetracálcico y proporciona cohesión a las fases de los demás
compuestos.
Los compuestos y fases formadas durante el proceso de Clinkerización y enfriamiento, son:
Nombre del Compuesto Formula Abreviatura Oxido de Calcio (Cal) CaO C Dióxido de Sílice (Silicato) SiO2 S Oxido de Aluminio (Aluminato) Al2O3 A Oxido de Hierro (Hierro) Fe2O3 F
Tabla 1. Compuestos del cemento
Nombre de la Fase Abreviatura Silicato tricálcico (Alita) C3S Silicato dicálcico (Belita) C2S Aluminato tricálcico (Aluminato) C3A Ferroaluminato tetracálcico C4AF
Tabla 2. Fases de compuestos en el cemento
Los silicatos de calcio (C3S y C2S) son los compuestos más deseables dentro de la
composición del cemento, porque al hidratarse forman los silicatos B hidratados de calcio
(S-H-C) que son los responsables de la resistencia mecánica y otras propiedades del
concreto. Normalmente el C3S aporta la resistencia a corto y mediano plazo, y el C2S a
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mediano y largo plazo. El silicato tricálcico (C3S), posee alto calor de hidratación, de tal
manera que afecta el tiempo de fraguado.
La fase de Aluminato (C3A), no es una fase pura de Oxido de calcio y Oxido de aluminio,
también contiene algo de impurezas de Dióxido de Sílice (SiO2) y Oxido de Magnesio
(MgO), que reaccionan rápidamente con el agua y contribuyen con un alto calor de
hidratación. La presencia de magnesio en esta fase, confiere al concreto propiedades poco
deseables como cambios volumétricos en la pasta de cemento endurecida y poca resistencia
a la compresión a lo largo del tiempo.
Finalmente, el cemento se puede clasificar en diferentes tipos según las cantidades efectivas
de las fases de los compuestos que lo conforman:
Cemento Composición Química en % Portland C3S C2S C3A C4AF
Tipo 1 48 27 12 8 Tipo 2 40 35 5 13 Tipo 3 62 13 9 8 Tipo 4 25 50 5 12 Tipo 5 38 37 4 9
Tabla 3. Clasificación del cemento por tipos según las fases que lo conforman
Cada tipo de cemento posee propiedades diferentes, lo cual los hace distintos entre si y por
ende cada tipo de cemento tiene un uso diferente.
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Sin importar el tipo de cemento, éste endurece al reaccionar con el agua (reacción
denominada hidratación). Los silicatos producen silicato tricálcico hidratado (C3S2·3H2O)
e hidróxido de calcio, mientras que el aluminato tricálcico produce hidróxido de aluminio
tricálcico:
)(6.173)(3472 222323 calorKJOHCaOHSCOHSC ++⋅→+
)(6.58)(452 222322 calorKJOHCaOHSCOHSC ++⋅→+
calorOHAlCaOHAC +→+ 122323 )(6
La unión de estos compuestos producidos, forma un gel coloidal, con partículas de menos
de un micrómetro de diámetro.
Propiedades Físicas y Mecánicas. Las propiedades físicas del cemento se pueden
determinar mediante diferentes ensayos que se ejecutan dependiendo del estado en el cual
se encuentra el cemento. Pueden clasificarse en dos tipos, los ensayos que determinan las
propiedades físicas del polvo de cemento y los ensayos que determinan las propiedades
físicas y mecánicas de la pasta de cemento.
4.5.2 Agua. Las especificaciones en cuanto al agua para la mezcla y el agua para el
curado, son las mismas que para un concreto convencional de resistencia normal. El agua
juega un papel muy importante en el diseño de mezclas de concreto de alta resistencia, ya
que a menor contenido de agua en la mezcla, menor es el asentamiento de ésta, pero mayor
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será la resistencia del concreto. Sin embargo existe un limite inferior para la relación A/C,
que esta dado por la cantidad de agua necesaria para hidratar completamente el cemento, y
varia de 0.23 a 0.25. Debido a la utilización del Microsílice, en concretos de alta
resistencia no se habla de la relación agua/cemento sino de la relación
agua/material_cementante, ya que la adición de Dióxido de Silicio (SiO2 � material más
abundante en el Microsílice), mejora las propiedades aglutinantes del cemento, por lo cual
es tenido en cuenta en el diseño de la mezcla.
Para este proyecto de grado, se mantiene el concepto de relación agua/cemento en la
proporción de mezcla, ya que no se utilizó Microsílice para lograr el concreto de alta
resistencia, y el Carburo de Silicio no presenta propiedades aglutinantes.
La calidad y cantidad del agua es muy importante ya que es el ingrediente clave en la
formación de la pasta de cemento, manejabilidad de la mezcla y curado del concreto. En la
reacción química de la hidratación del cemento, se requiere que el agua sea pura y que no
contenga reacciones previas internas con otros elementos, para que no interfiera en la
hidratación del cemento. En la manejabilidad de la mezcla, se requiere que ésta tenga un
contenido de agua tal que la mezcla sea homogénea y sea apta para colocarse y
compactarse sin generar segregación o poca adherencia a los agregados. El agua para el
curado es fundamental ya que a través del tiempo el concreto adquiere mayor resistencia y
las partículas de cemento continúan hidratándose.
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Para evitar posibles inconvenientes causados por el agua, se utilizo agua potable para el
mezclado y curado de los cilindros de concreto.
4.5.3 Agregados. Los agregados finos y gruesos influyen notablemente en las propiedades
del concreto recién mezclado y endurecido, en las proporciones de la mezcla, y en la
economía. Los agregados finos consisten en arena de río natural o piedra triturada, siendo la
mayoría de sus partículas menores que 5 mm. Los agregados gruesos consisten en una
grava o una combinación de grava o agregado triturado, cuyas partículas son mayores que 5
mm y generalmente entre 9.5 y 38 mm. El agregado manufacturado se produce triturando
roca de cantera, piedra bola, o grava de gran tamaño. La escoria de alto horno enfriada al
aire y triturada también se utiliza como agregado grueso o fino.
Los agregados de calidad deben cumplir ciertas normas para darles un uso ingenieríl
optimo, son partículas limpias, duras, resistentes y libres de productos químicos absorbidos,
recubrimientos de arcilla y otros materiales finos que pudieran afectar la hidratación y la
adherencia de la pasta de cemento. Las partículas de agregado que sean desmenuzables o
susceptibles de quebrarse son indeseables.
La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado, que se
determina por análisis de tamices (norma ASTM C-136 - Norma Técnica Colombiana
NTC-32). El tamaño de partícula del agregado, se determina por medio de tamices de malla
de alambre con aberturas cuadradas. Esta granulometría se determina haciendo pasar una
muestra representativa de agregados por una serie de tamices ordenados, por abertura, de
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mayor a menor. La denominación en unidades inglesas (tamices ASTM) se hacía según el
tamaño de la abertura en pulgadas para los tamaños grandes, y el número de aberturas por
pulgada lineal para las aberturas menores de 3/8 de pulgada.
La serie de tamices utilizados para agregado grueso son 3", 2", 1½", 1", ¾", ½", 3/8", # 4, y
para agregado fino son # 4, # 8, # 16, # 30, # 50, # 100, # 200, en ambas series se debe
colocar tapa y fondo. La serie de tamices que se emplean para clasificar los agregados para
concreto, se ha establecido de manera que la abertura de cualquier tamiz sea
aproximadamente la mitad de la abertura del tamiz inmediatamente superior. La operación
de tamizado debe realizarse de acuerdo con la Norma Técnica Colombiana NTC-77 sobre
una cantidad de material seco. El zarandeo de los tamices se puede llevar a cabo a mano o
mediante el empleo de una máquina zarandeadora.
El tamizado a mano, se hace de tal manera que el material se mantenga en movimiento
circular con una mano mientras se golpea con la otra, pero en ningún caso se debe inducir
con la mano el paso de una partícula a través del tamiz; los resultados del análisis de
tamices se colocan en forma tabular. En la columna 1 se indica la serie de tamices utilizada
en orden descendente. Una vez tamizada la muestra, se toma el material retenido en cada
tamiz, se pesa, y cada valor se coloca en la columna 2. Cada uno de estos pesos retenidos se
expresa como porcentaje (retenido) del peso total de la muestra, y se registra en la columna
3. En la columna 4 se van colocando los porcentajes retenidos acumulados. En la columna
5 se registra el porcentaje acumulado que pasa, que será simplemente la diferencia entre
100 y el porcentaje retenido acumulado.
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Los resultados de un análisis granulométrico también se pueden representar por medio de
una gráfica que se llama curva granulométrica. Esta gráfica se representan por medio de
dos ejes perpendiculares, en donde las ordenadas (eje vertical) representa el porcentaje que
pasa y en el eje de las abscisas (eje horizontal) la abertura del tamiz cuya escala puede ser
aritmética o logarítmica.
Del análisis granulométrico, se pueden obtener propiedades del agregado como son:
El módulo de finura. Es un parámetro que se obtiene de la suma de los porcentajes
retenidos acumulados de la serie de tamices desde el tamiz # 100 en adelante hasta el
tamaño máximo presente, este resultado se divide en 100 , para este cálculo no se incluyen
los tamices de 1" y ½". Se considera que el Modulo de Finura de una arena adecuada para
producir concreto debe estar entre 2.3 y 3.1, ya que un valor menor que 2.0 indica una
arena muy fina, 2.5 una arena de finura media y más de 3.0 una arena gruesa.
De acuerdo a investigaciones, el concreto de alta resistencia presenta mejores resultados
cuando se elaboran mezclas donde el agregado fino tiene un modulo de finura entre 2.7 y 3.
Tamaño Máximo. Se define como la abertura del menor tamiz por el cual pasa el 100% de
la muestra.
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Tamaño Máximo Nominal. Está definido como la abertura del siguiente tamiz que le
sigue en abertura (mayor), a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es del l5% o más.
La mayoría de las especificaciones granulométricas se dan en función del tamaño máximo
nominal.
La granulometría y el tamaño máximo nominal del agregado afectan las proporciones
relativas de los agregados así como los requisitos de agua y cemento, la manejabilidad,
economía y porosidad.
Para la producción de concretos de alta resistencia, se utilizan agregados pétreos naturales o
también escoria de alto horno, agregados gruesos con tamaño máximo nominal de 12 a 19
mm.
4.5.4 Aditivo Superplastificante. Es conocido como reductor de agua de alto rango o de
alto poder. Es utilizado para satisfacer las necesidades de colocación y manejabilidad del
concreto, debido a la baja relación agua/ material _ cementante, ya que la mezcla antes de
recibir el superplastificante, presenta muy poco asentamiento o ninguno al respecto. Se
dice que son reductores de agua, porque tienen la capacidad de reducir hasta en un 40% la
cantidad de agua requerida dentro de la mezcla, y a la vez proporcionan cohesividad entre
las partículas y adherencia al refuerzo del concreto. Por sus propiedades plásticas,
aumentan la ductilidad y el modulo de elasticidad del concreto. El efecto del
superplastificante en las propiedades del hormigón según investigaciones efectuadas por
Brooks y Wainwright en 1983, muestran que la resistencia a la compresión a los 28 días de
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las muestras con el superplastificante, presentan una resistencia superior en un 19% con
respecto a la resistencia de una muestra de concreto sin superplastificante. La resistencia a
la tracción a los 28 días también aumenta en un 10%. En la actualidad se pueden encontrar
diferentes tipos de superplastificantes como son:
Basados en lignosulfatos. Estos no pueden utilizarse en dosis abundantes, ya que poseen
un efecto retardador en el endurecimiento del concreto.
Basados en Melaninas. No poseen efecto retardante en el endurecimiento del concreto,
pero son de resistencia media en comparación con los otros tipos.
Basados en Naftalinas. Al igual que el anterior no posee efecto retardante, y a
comparación con los anteriores, posee la mayor resistencia a la compresión a lo largo del
tiempo.
Para el Concreto reforzado con partículas de material cerámico, se utilizó el
superplastificante Sikament-NS, basado en naftalinas. Es un aditivo líquido, color café,
compuesto por resinas sintéticas de naftaleno sulfonatado.
Para su utilización, se adiciona en la ultima porción del agua de mezcla o directamente en
toda el agua de mezcla, siendo este componente el ultimo en adicionarse para obtener el
concreto. Se adiciona del 1 al 2% del peso de cemento contenido en la mezcla, a mayor
proporción, mejores resultados.
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Sikament-NS, cumple las normas ASTM C-494, ASTM C-1017 y NTC 1299. Su densidad
es 1.2 Kg/l, y proporciona grandes ventajas en el concreto:
• Reduce considerablemente la permeabilidad del concreto.
• Densifica el concreto y mejora la adherencia de la pasta a los agregados y al acero
de refuerzo.
• Reduce la exudación y la contracción de secado en el concreto.
Este aditivo debe manipularse con guantes de caucho y gafas de protección, para evitar el
contacto cutáneo u ocular durante su uso.
4.5.5 Aditivos Especiales. En busca de mejorar cada vez más la resistencia a la
compresión del concreto, a través del tiempo se han ido implementando aditivos especiales
para lograr una mejor resistencia a la compresión y a la tracción del concreto. Estos
aditivos han sido fibras de acero, fibras poliméricas, fibras de guadua, polvo de cuarzo,
fibras de asbesto, fibras de nylon, fibras de vidrio, etc.
Microsílice. También llamado Microsilica, Silica Fume o Condensed Silica Fume. Se
compone de un 90 al 96% por Dióxido de Silicio (SiO2), y demás compuestos que
finalmente son los mismos que componen el cemento, pero a diferencia de éste, no han
sufrido un proceso de clinkerización (calcinación). Su dosificación se hace generalmente
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como un porcentaje en peso del contenido de cemento en la mezcla, y generalmente oscila
entre el 15 y el 20% dependiendo del tipo de cemento a utilizar y sus propiedades
fisicoquímicas.
Para este proyecto no se utilizo microsílice, ya que no permitiría observar el efecto por la
adición y mezcla del Carburo de Silicio con el cemento, además debería emplearse la
relación agua/material_cementante en vez de la relación agua/cemento.
El Carburo de silicio (SiC). Se extrae de un horno en el cual se funden el Carbono y el
Silicio. Para este proceso también se utiliza Boro con el fin de mejorar la densidad del
compuesto durante el proceso de sinterización, que se realiza a una temperatura de 2500 °C.
La microestructura resultante de este proceso es el Carburo de Silicio, que se compone de
granos con cristalografía de tipo hexagonal (estructura cristalina - 6H), también se produce
una pequeña cantidad de carbón libre, y de granos aislados de B4C. Las partículas de este
material se obtienen mediante un proceso de trituración, por lo cual se fabrican partículas
de diferentes tamaños.
A continuación se presentan los datos característicos del SiC(6H), material a utilizado en el
proyecto de grado, con una pureza de aproximadamente (98±1) %, donde (0.4±0.1) % y
(0.5±0.1) % corresponden a las fracciones totales de Boro y de Carbón libre
respectivamente:
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Propiedades Datos Color Gris Peso molecular g/mol 40.07 Densidad g/cm3 3.2 Área superficial m²/g 7 � 15 Resistencia a la flexión Mpa 400 +/- 60 Modulo de Young GPa 415 +/- 12 Resistencia a la compresión Mpa 4100 Resistencia a la tensión Mpa 250 +/- 12.5 Relación de Poisson 0.16 +/- 0.04 Conductividad térmica W/moK 114 +/- 9.1 Coeficiente de expansión térmica 10-6/oK 1.1 +/- 0.1 Punto de fundición °C 2700 Calor específico J/goK 0.68
Tabla 4. Propiedades del Carburo de Silicio
Estudios realizados en 1994 por el instituto para la higiene y medicina industrial de la
Universidad de Essex, demostraron que la producción de Carburo de Silicio no es toxica y
no tiene efectos contraproducentes en el cuerpo humano, lo cual lo hace un material no
peligroso al contacto cutáneo. También se estableció que se trata de un material inerte,
cuya fabricación no producía daños ambientales. Si los ojos del operario tienen contacto
con el material, deben lavarse con suficiente agua, en caso de que las partículas sean muy
pequeñas, ocurrirá irritación por lo cual debe acudirse al medico.
Por lo general se produce en color gris, pero también es fabricado en colores café, negro,
blanco y verde. El SiC es un material altamente abrasivo, que generalmente se funde con
metales para la fabricación de cajas fuertes y elementos blindados. Actualmente no se
produce en Colombia, por lo que se importa de Alemania.
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4.6 PROPORCIÓN DEL CARBURO DE SILICIO EN EL CONCRETO
ADICIONADO
4.6.1 Especificaciones del concreto. Para poder calcular la cantidad de partículas de
carburo de silicio necesarias para el ensayo, parto de un concreto convencional con
resistencia a la compresión de 3000 psi (21 MPa, 210 Kg/cm²), ya que es la resistencia del
concreto con la que generalmente se diseñan las estructuras en Bogotá, y obtengo el
contenido de Cemento Pórtland Tipo I que se encuentra contenido en la mezcla.
CONCRETO DE 3000 psi METRO CUBICO DE MEZCLA Cantidad UN Volumen de Concreto: 1 M³ Cantidad de Cemento: 344,83 Kg
Tabla 5. Contenido de cemento en un concreto de 3000 psi
4.6.2 Cantidad adicionada con respecto a los compuestos del cemento. Para determinar
la cantidad en peso de partículas de carburo de silicio por cada cilindro de falla, es
necesario conocer la cantidad de cemento en el concreto por cilindro y el contenido en peso
de los compuestos que reaccionaran con el carburo de silicio. Para esto es indispensable
conocer los siguientes parámetros:
Cantidad de cemento por cilindro de falla. Con base a los datos suministrados
anteriormente y a las dimensiones estándar del cilindro de falla, obtengo el volumen de
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concreto que se requiere por cada cilindro, y la cantidad de cemento contenido en la mezcla
de un cilindro:
CILINDRO Cantidad UN Volumen de Cilindro de falla: 0,0053 M³ Cemento por cilindro: 1.83 Kg
Tabla 6. Volumen de concreto y cantidad de cemento en un cilindro estándar
Cantidad de compuestos por fase. Según el tipo de cemento, éste se conforma de acuerdo
a un porcentaje en peso de cada una de las fases que lo componen. En este caso se tienen
en cuenta los porcentajes de composición en peso del cemento Pórtland Tipo I:
Cemento Composición, % en peso Portland C3S C2S C3A C4AF Tipo 1 48 27 12 8
Tabla 7. Porcentajes de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I
Las abreviaturas C, S, A y F, corresponden a Oxido de Calcio, Dióxido de Sílice, Oxido de
Aluminio (Al2O3) y a Oxido de Hierro, respectivamente.
Cantidad de Carburo de Silicio por cilindro. Teniendo en cuenta que la cantidad
requerida por un cilindro es 1.83 Kg de cemento, obtengo la cantidad en peso de cada fase,
y de aquellas que se quieren mejorar, obtengo la cantidad en peso de Oxido de Aluminio
contenida en esa cantidad de cemento:
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Cemento Pórtland Tipo 1 Fase C3S C2S C3A C4AF Composición (% peso) 48 27 12 8 Peso (gr) 877.48 493.58 219.37 146.25
Tabla 8. Cantidad en peso de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I
Fase C3A C4AFComposición (% peso) 12 8 Peso (gr) 219.37 146.25Aporte de Al2O3 (gr) 54.84 24.37 SiC a adicionar (gr) 54.84 24.37
Tabla 9. Cantidad en peso de Carburo de Silicio ha adicionar
Según este calculo inicial, por cilindro de falla deben haber aproximadamente 79.22 gr de
Carburo de Silicio, hablando de cilindros estándar de 30 cm de alto por 15 cm de diámetro.
Por medio de este valor, se puede afirmar que la proporción de Carburo de Silicio dentro de
la mezcla, es de 4.33% en peso del peso del cemento requerido en la mezcla de concreto.
4.7 APLICACIONES DEL CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
La obtención de las propiedades del concreto en estado fresco y en estado endurecido, se
hace con el fin de llegar a un diseño de mezcla adecuado que cumpla con algunas
características a la hora de la fundición y en el momento en que se espera una respuesta por
parte del concreto a una solicitación determinada.
Un concreto de alta resistencia, se caracteriza principalmente por:
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• Resistir mayores solicitaciones a compresión, en comparación a un concreto de
resistencia normal.
• Poseer menor contenido de agua en la mezcla.
• Requerir la presencia de un superplastificante, con el fin de obtener la
manejabilidad esperada, debido al poco contenido de agua dentro de la mezcla.
• Contener un aditivo cementante o de resistencia superior, con el fin de aumentar la
resistencia a la compresión. Este aditivo es Microsílice, pero en este caso, éste
material es remplazado por Carburo de Silicio, que es un material cerámico que no
posee características cementantes como se explicó anteriormente.
• Poseer mayor contenido de cemento en la mezcla.
El concreto de alta resistencia es utilizado en la construcción preesforzada, ya que se le
somete a esfuerzos más altos y por lo tanto un aumento en su calidad generalmente conduce
a resultados más económicos. El uso de concreto de alta resistencia permite la reducción de
las dimensiones de la sección transversal de las columnas de edificios de gran altura,
logrando ahorros significativos y mejor apariencia a las estructuras pues se pueden crear
columnas de igual sección transversal a lo largo de su altura, por medio de concretos de
diferente resistencia a la compresión.
Además, el concreto de alta resistencia tiene un módulo de elasticidad más alto que el
concreto de baja resistencia, de tal manera que se reduce cualquier pérdida de la fuerza
pretensora debido al acortamiento elástico del concreto.
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Alta resistencia en el concreto preesforzado es necesaria por varias razones:
Para minimizar su costo, los anclajes comerciales para el acero de preesfuerzo son siempre
diseñados con base de concreto de alta resistencia. De aquí que el concreto de menor
resistencia requiere anclajes especiales o puede fallar mediante la aplicación del
preesfuerzo. Tales fallas pueden tomar lugar en los apoyos, en la adherencia entre el acero
y el concreto, o en la tensión cerca de los anclajes. El concreto de alta resistencia a la
compresión ofrece una mayor resistencia a tensión y cortante, así como a la adherencia y al
empuje, y es deseable para las estructuras de concreto preesforzado ordinario. Otro factor
es que el concreto de alta resistencia está menos expuesto a las grietas por contracción que
aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia antes de la aplicación del
preesfuerzo.
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5. PROGRAMA EXPERIMENTAL
5.1 METODOLOGÍA
Una vez transportados los materiales hasta el CITEC (Centro de Innovaciones Tecnológicas
de la Universidad de los Andes), se realizó la caracterización de los agregados, la cual
consistía en obtener su gradación, su densidad aparente, nominal, superficialmente seca y el
porcentaje de absorción de agua tanto del agregado grueso como del fino.
Se elaboro un diseño de mezcla inicial del cual se fabricó una mezcla de prueba para
observar las propiedades en estado fresco y en estado endurecido del concreto, se
fabricaron tres probetas de 20 cm de alto, por 10 cm de diámetro considerando un
desperdicio del 13% durante la fundición. Los cilindros se sometieron a un proceso de
curado 24 horas después de su fundición, dos de ellos se fallaron a los 7 días de edad, el
otro cilindro se fallo a los 28 días de edad.
Con base a los resultados obtenidos en la mezcla de prueba, se redujo la relación A/C y la
cantidad de agua en la mezcla, posteriormente se calculo el material requerido para fabricar
nueve cilindros del mismo tamaño de las probetas de la mezcla de prueba, que sirvieran
como mezcla patrón, y nueve cilindros de concreto de alta resistencia en camisas de
dimensión estándar; como los resultados obtenidos no fueron los esperados, se elaboraron
diez y ocho cilindros para dos mezclas con diferente relación A/C. Estas probetas se
fabricaron en camisas de 20 cm de alto, por 10 cm de diámetro. Los cilindros se
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sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición, y se fallaron tres a los
7 días de edad y tres a los 28 días de edad. Con los resultados obtenidos se fijo la relación
A/C y la cantidad de agua para la mezcla del concreto de resistencia normal.
Una vez lograda la resistencia de 3000 psi en el concreto, se diseño una mezcla para
concreto de alta resistencia. Este diseño se baso en investigaciones anteriores en cuanto al
contenido de cemento en la mezcla, a sugerencias de Sika Andina S.A. para la utilización
del superplastificante, al porcentaje de carburo de silicio con respecto al contenido de
cemento para cada cilindro, y a las características de los materiales empleados en la
producción del concreto de resistencia normal.
Con los resultados obtenidos en cuanto a las propiedades en estado fresco y en estado
endurecido a los 7 días de edad de esta mezcla, se calculo por medio de una formula la
resistencia a los 28 días. Al ver que la cantidad de carburo de silicio era muy baja, se
hicieron los cambios correspondientes en el diseño de mezcla buscando obtener un aumento
en la resistencia a la compresión, y se repitió este paso hasta lograr obtener un concreto de
alta resistencia.
Siguiendo las Normas Técnicas Colombianas, una vez hecha la mezcla se tomó una
muestra de concreto fresco y se realizó el ensayo de asentamiento durante los 5 minutos
siguientes para que el material no perdiera consistencia y manejabilidad. Se procuro que
este ensayo no durara más de 2 minutos y medio en total, por lo que solo se pudo hacer un
ensayo de asentamiento por mezcla.
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5.2 TAMAÑO DEL GRANO
Aunque a la hora de conseguir el carburo de silicio se puede encontrar en diversos tamaños,
se adicionaron partículas de 0.149 mm (tamaño correspondiente al Tamiz No. 100), ya que
al hacer la caracterización del agregado para la mezcla, se encontró que la mezcla más
adecuada carecía de agregados finos de menor tamaño.
5.3 TIPO DE ADICIÓN
Luego de mezclar el cemento con la arena se adiciono el carburo de silicio en estado sólido,
y una vez estaban mezclados homogéneamente éstos se adiciono el agregado grueso
(gravilla), por ultimo se adicionó el agua con superplastificante y se mezcló hasta obtener
un material homogéneo.
5.4 HERRAMIENTAS Y EQUIPOS
5.4.1 Ensayos al agregado. Para realizar la caracterización de los agregados, se utilizaron
las siguientes herramientas y equipos:
• Un Juego de tamices de la serie Tyler.
• Picnómetro.
• Horno.
• Balanza
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• Bandeja.
Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 7.
5.4.2 Mezcla y fundición de cilindros. La mezcla del concreto se hizo por medio del
método del cono, que consiste en mezclar con pala el cemento con la arena hasta obtener
una mezcla de color homogéneo, a ésta se le añade el agregado grueso y se revuelve hasta
obtener la misma condición anterior, está mezcla se acondiciona en forma de cono, al cual
se le aplana la parte superior y se le abre un agujero en el centro para adicionar allí el agua
de mezclado. Para este proceso se utilizó:
• Pala.
• Balanza
• Balde.
• Camisas
• Varilla de compactación
• Palustre
• Cuchara
Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 8.
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Para la fundición de los cilindros se utilizaron camisas de 30 cm de alto y 15 cm de
diámetro para los cilindros de concreto de alta resistencia. Para la fundición de los
cilindros de concreto de resistencia normal se utilizaron camisas de 20 cm de alto y 10 cm
de diámetro. Estas camisas fueron acondicionadas para la fundición del concreto, para esto
se utilizó estopa y ACPM (también puede utilizarse aceite mineral); la estopa se humedeció
con ACPM para colocar una capa superficial de engrase a las paredes y fondo de los
cilindros con el fin de facilitar y prevenir que se maltrataran las probetas en el momento del
desencofrado, y evitar que el concreto se pegara a las camisas. Para la limpieza y uso de
los cilindros se necesito un trapo y un juego de llaves de ¾ y 7/8 de pulgada para las
camisas pequeñas y grandes, respectivamente.
Las camisas mencionadas se presentan en el Anexo No. 8.
5.4.3 Prueba de asentamiento. Para esta prueba se utilizó:
• Bandeja
• Cono de asentamiento
• Varilla de compactación
• Palustre
Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 9.
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5.4.4 Curado. La capacidad de ligar que tiene la pasta de cemento se debe a la
hidratación, reacción química entre el cemento y el agua.
Cuando el concreto fragua su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto
endurecido contiene poros llenos de agua y aire que no tienen resistencia. Por lo tanto, entre
menos porosa sea la pasta de cemento mucho más resistente es el concreto.
Es importante conocer la velocidad de reacción entre el cemento y el agua porque la
velocidad determina el tiempo de fraguado. Una vez endurecido el concreto si se vuelve a
saturar de agua luego de un periodo de secado inicial, la hidratación se reanuda y la
resistencia vuelve a aumentar. Este nuevo proceso de saturación se llama curado, y es
aconsejable hacerlo de manera continua desde el momento en que se ha colocado hasta
cuando cumpla con la edad requerida para medir su resistencia.
Siguiendo las especificaciones de la Norma Técnica Colombiana NTC-550 (Elaboración y
curado de especimenes de concreto), las probetas se sumergieron dentro de canecas de agua
24 horas después de su fundición. Una vez cumplida la edad requerida para fallarlas, se
sometieron a secado al aire libre por 2 horas.
5.4.5 Refrentado de cilindros. Los cilindros fundidos en las camisas pequeñas se
refrentaron según la Norma Técnica Colombiana 504. Este proceso consiste en hacer
perpendiculares las caras al eje del cilindro, para esto se necesitó una estufa, un recipiente
para fundir el azufre y un pedestal con guía para colocar la tapa de azufre a los cilindros.
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Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 10.
Los cilindros de concreto de alta resistencia se fallaron utilizando laminas de neopreno.
5.4.6 Falla de cilindros. Las pruebas sobre los especimenes de concreto son iguales sin
importar la resistencia esperada del concreto. En Norma Técnica Colombiana NTC-673 se
establece una velocidad de carga de 1.3 mm/min para maquinas de falla de tipo tornillo, y
una velocidad de movimiento (velocidad de plato a la cruceta) entre 0.14 � 0.34 Mpa/s, que
corresponde a la velocidad de carga sobre el espécimen, permitiendo la velocidad más alta
para el inicio de la carga.
Para encontrar la resistencia a la compresión de las probetas de concreto se utilizó la
Maquina Universal marca Forney del CITEC, Anexo No. 10.
5.5 MEZCLAS Y NUMERO DE PROBETAS
Por medio del presente cuadro indico las mezclas de concreto elaboradas y el numero de
probetas fabricadas:
MEZCLA PROBETAS Mezcla de Prueba para obtener concreto de 3000 psi 3 Primera Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón 18 Mezclas para mejorar la resistencia del concreto de resistencia normal 12 Segunda Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón 18 Tercera Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón 18 Cuarta Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón 18
Tabla 10. Mezclas y numero de probetas fabricadas
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Las probetas de la Mezcla de Prueba se nombraron MP, se enumeraron antes de iniciar el
proceso de curado. Se calculó entonces la cantidad de materiales necesaria para fabricar
tres cilindros de estas dimensiones. Los cilindros se sometieron a un proceso de curado 24
horas después de su fundición, y dos de ellos se fallaron a los 7 días de edad, el otro
cilindro se falló a los 28 días de edad.
De acuerdo a los resultados obtenidos en cuanto a la resistencia a los 7 días, se elaboro la
primera mezcla de concreto de alta resistencia y una mezcla patrón, para observar el
cambio en la resistencia del concreto adicionado con respecto al concreto de resistencia
normal. Gracias a esta mezcla se pudo evaluar el asentamiento del concreto en estado
freso, y hacer las correcciones pertinentes para conseguir el asentamiento de un concreto de
consistencia normal (Asentamiento entre 5 y 10 cm), que es el requerido en la fundición de
columnas, vigas y en general elementos estructurales en el medio colombiano. Los
cilindros se sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición. De cada
mezcla se elaboraron nueve probetas, de las cuales tres se fallaron a los 7 días, otras tres a
los 28 días, y las restantes a los 56 días de edad.
Con base a los resultados obtenidos, se hicieron correcciones en la relación A/C y se
elaboraron las mezclas A y B para mejorar la resistencia obtenida en la mezcla de prueba y
en la primera mezcla patrón. De ambas mezclas se elaboraron 6 probetas que permitieron
evaluar el asentamiento, y definir la relación A/C a utilizar en las siguientes mezclas.
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Una vez corregida la relación A/C, se hizo la segunda mezcla de concreto de alta
resistencia, para ésta se utilizo la misma proporción de carburo de silicio empleada en la
primera mezcla. La mezcla patrón se fabrico de la misma forma que la anterior, pero se
empleo la misma relación A/C utilizada para la mezcla de concreto de alta resistencia.
Conservando la misma relación A/C, al no obtener los resultados esperados en la segunda
mezcla, se aumento al doble la proporción de carburo de silicio en la mezcla de concreto.
Con este aumento en el diseño de mezcla, se elaboro la tercera mezcla de concreto de alta
resistencia.
Como los resultados obtenidos en la resistencia no fueron los esperados, se triplico la
proporción de carburo de silicio en la mezcla de concreto. Con este aumento en el diseño
de mezcla, se elaboro la cuarta mezcla de concreto de alta resistencia.
Las probetas de la primera, segunda, tercera y cuarta mezcla de concreto de alta resistencia,
se presentan e el Anexo No. 11.
Las probetas de la primera, segunda, tercera y cuarta mezcla de concreto de resistencia
normal (Mezclas patrón), se presentan e el Anexo No. 12.
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6. DISEÑO DE MEZCLA PARA CONCRETO DE RESISTENCIA NORMAL Y
PARA CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
Conocer las propiedades en estado fresco y en estado endurecido del concreto, es muy
importante porque permite obtener el diseño de mezcla para obtener una resistencia dada.
El diseño de mezclas de concreto, puede hacerse de acuerdo a metodologías de tipo
empírico, analítico o semianalitico. A través del tiempo, el diseño de mezclas a
evolucionado desde las proporciones volumétricas hasta las proporciones por peso
absoluto. Actualmente las metodologías más empleadas en el diseño de mezclas, son de
tipo analítico, y los métodos mas utilizados son los propuestos por el ACI (American
Concrete Institude) de los Estados Unidos y el método propuesto por el RNL (Road Note
Laboratory) de Gran Bretaña.
El método propuesto por el ACI se basa en la relación agua/cemento, y asume que el
agregado posee una granulometría ideal (ésta granulometría es la que establece la ASTM
C-33). El método propuesto por el RNL se basa en la textura de los agregados, en la
cantidad de agua necesaria para obtener su condición superficialmente seca, y debido a que
no es posible encontrar un agregado con granulometría ideal, el método permite obtener
una optimización de la granulometría de los agregados existentes.
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Para este proyecto se diseño la mezcla por medio de la metodología del RNL, donde se
establece que se requiere mayor cantidad de agua para saturar los poros de un agregado de
textura rugosa, en comparación a un agregado de textura lisa. El método permite elegir
como primer parámetro de diseño, el contenido de agua en un metro cúbico de mezcla. De
acuerdo a la resistencia esperada a los 28 días de edad, al contenido de aire en la mezcla de
concreto y a su exposición a la intemperie o a diversos agentes causantes de algún cambio
en la mezcla, el método permite determinar la relación agua/cemento, con ésta y con el
contenido de agua en un metro cúbico de mezcla, se obtiene la cantidad de cemento
requerida en la mezcla.
Como se menciono anteriormente, el método permite hacer una optimización de los
agregados, con el fin de obtener una mejor gradación y por ende la resistencia esperada.
Para hacer la optimización del agregado, se debe tamizar el agregado grueso y el agregado
fino.
6.1 CARACTERIZACIÓN DEL AGREGADO
Para el proyecto de grado se utilizó gravilla como agregado grueso, y arena de río como
agregado fino. Una vez transportado el material hasta el CITEC, se caracterizó el agregado
(Tamizado y Evaluación de propiedades físicas), de donde:
D.Aparente D.Nominal SSS ABS % Arena: 2.39 2.64 2.49 4.0 Gravilla: 2.40 2.59 2.47 3.1
Tabla 11. Propiedades físicas del agregado
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6.1.1 Análisis granulométrico del Agregado Fino.
Tamiz Masa Retenida Retenido Retenido Acumulado Pasa NTC-32
mm Pulga. gr % % % Inferior Superior
9.51 3/8 ------- ------- ------- 100.00 100 100 SI
4.76 No. 4 54.7 11.05 11.05 88.95 95 100 NO
2.38 No. 8 88.2 17.82 28.87 71.13 80 100 NO
1.19 No. 16 53.2 10.75 39.62 60.38 50 85 SI
0.595 No. 30 32.7 6.61 46.22 53.78 25 60 SI
0.297 No. 50 142.2 28.73 74.95 25.05 10 30 SI
0.149 No. 100 92.0 18.59 93.54 6.46 2 10 SI
0.074 No. 200 22.7 4.59 98.12 1.88 0 3 SI
Fondo 9.3 1.88 100.00 0.00 0
Total 495.0 100.00
Modulo de Finura: 2.94
Material Tamizado: 500 gr
Tabla 12. Análisis granulométrico del agregado fino
La granulometría obtenida se comparo con los limites establecidos en la NTC-32
(Agregado para mezclas de concreto), de esta forma se pudo observas si la granulometría
obtenida para cada tamaño de grano, estaba contemplada dentro de los limites de la norma.
La curva granulométrica del agregado fino pude verse en el Anexo No. 1.
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6.1.2 Análisis granulométrico del Agregado Grueso.
Tamiz Masa Retenida Retenido Retenido Acumulado Pasa NTC-32
mm pulg Gr % % % Inferior Superior
25.4 1 ------- ------- ------- 100.00 100 100 NO
19 3/4 628.9 13.61 13.61 86.39 90 100 NO
12.7 1/2 1505.4 32.57 46.18 53.82 53 85 SI
9.51 3/8 724.6 15.68 61.86 38.14 20 55 SI
4.76 No. 4 914.4 19.79 81.65 18.35 0 10 NO
2.38 No. 8 329.3 7.13 88.77 11.23 0 5 NO
1.19 No. 16 91.9 1.99 90.76 9.24
0.595 No. 30 31 0.67 91.43 8.57
0.297 No. 50 137.3 2.97 94.40 5.60
0.149 No. 100 170.9 3.70 98.10 1.90
0.074 No. 200 46.7 1.01 99.11 0.89
Fondo 41 0.89 100.00 0.00
Total 4621.4 100.00
Tamaño Máximo: 25 mm
Tamaño Máximo Nominal: 19 mm
Material Tamizado: 4625.6 gr
Tabla 13. Análisis granulométrico del agregado grueso
De la misma forma que en el agregado fino, la granulometría obtenida para cada tamaño de
grano se comparo con los limites establecidos en la NTC-32, de esta forma se pudo
observas si los datos obtenidos estaban contemplados dentro de los limites de la norma.
La curva granulométrica del agregado grueso pude verse en el Anexo No. 2.
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Gracias al tamizado, se puede apreciar que el agregado grueso posee una gran cantidad de
finos, y de acuerdo a la NTC-32 el agregado fino no cumple con una gradación aceptable
para el diseño de mezclas de concreto. Para mejorar la granulometría y hacer de los
agregados finos y gruesos un agregado apto para concreto, se buscó la granulometría mas
adecuada para el agregado.
Antes de hacer las mezclas de concreto, se evalúo la humedad de los agregados, la cual se
encontró siempre muy cercana a estos valores:
Tabla 14. Humedad del agregado
6.1.3 Granulometría más adecuada para el agregado. Debido a que el agregado grueso
posee una gran cantidad de agregado fino, no se puede aplicar el criterio propuesto por la
Norma Técnica Colombiana, ya que los rangos establecidos para el material con tamaño
máximo nominal de 19 mm, no contemplan la presencia de agregado fino dentro del
agregado grueso.
Por lo tanto, es necesario seleccionar un rango granulométrico dentro del cual el agregado
posee una gradación aceptable para el diseño de mezclas. El rango mas utilizado en el
diseño de mezclas de concreto, es el propuesto por Fuller y Thompson:
Agregado HumedadGravilla: 4% Arena: 7%
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Tamiz M. Rete. Retenido R. Acumu. Pasa Rango Fuller-Thompson Optima
mm pulg Gr % % %
25.4 1 ------- ------- ------- 100.00 100 100 100
19 3/4 628.9 13.61 13.61 86.39 90 85 87.5
12.7 1/2 1505.4 32.57 46.18 53.82 78 68 73
9.51 3/8 724.6 15.68 61.86 38.14 71 58 64.5
4.76 No. 4 914.4 19.79 81.65 18.35 56 40 48
2.38 No. 8 329.3 7.13 88.77 11.23 44 27 35.5
1.19 No. 16 91.9 1.99 90.76 9.24 34 18 26
0.595 No. 30 31 0.67 91.43 8.57 27 13 20
0.297 No. 50 137.3 2.97 94.40 5.60 21 9 15
0.149 No. 100 170.9 3.70 98.10 1.90 17 6 11.5
0.074 No. 200 46.7 1.01 99.11 0.89 0 0 0
Fondo 41 0.89 100.00 0.00
Total 4621.4 100.00
Tabla 14. Granulométrica optima según los rangos de Fuller y Thompson
De acuerdo a este rango granulométrico, se fijó la gradación Optima como la gradación que
se encuentra en la mitad del limite superior e inferior de los rangos propuestos por Fuller y
Thompson.
6.1.4 Optimización granulométrica del agregado. La optimización granulométrica del
RNL, se obtiene por método grafico, y consiste en dibujar un cuadrado en donde cada lado
es dividido en 10 segmentos. Los segmentos verticales se enumeran de 10 en 10, desde 0
hasta 100, y de abajo hacia arriba. Los segmentos horizontales también se enumeran de la
misma forma, el superior de izquierda a derecha, y el inferior de derecha a izquierda. Sobre
los ejes verticales se colocan los porcentajes de material que pasa, y los ejes horizontales se
nombran como se muestra en el grafico del Anexo No. 3.
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Se unen por medio de líneas inclinadas los tamaños de material que están presentes en
ambos agregados. Paralelo al cuadrado, se pinta verticalmente la gradación que fue
seleccionada como la optima. Los porcentajes de la gradación más adecuada, se proyectan
horizontalmente de tal forma que cada proyección horizontal intercepte a una línea
inclinada. Estos puntos se fijan, y se traza una línea vertical dentro del cuadrado que separe
a ambos lados, los puntos fijados en igual numero.
Esta línea indicará en la parte superior, la cantidad en porcentaje de agregado fino, y en la
parte inferior, la cantidad en porcentaje de agregado grueso, que conforman el 100% del
agregado. Los puntos en donde la línea vertical ha interceptado las líneas inclinadas, se
proyectan hasta cualquier línea vertical numerada, para conocer la granulometría final del
agregado.
Por lo tanto, siguiendo el procedimiento se obtiene:
Tamiz NTC-32 Rango Fuller-Thompson Optima Granulometría
Mm pulg Inferior Superior Más adecuada
25.4 1 100 100 100 100 100 100
19 3/4 90 100 90 85 87.5 91.97
12.7 1/2 53 85 78 68 73 72.76
9.51 3/8 20 55 71 58 64.5 63.52
4.76 No. 4 0 10 56 40 48 47.31
2.38 No. 8 0 5 44 27 35.5 35.8
1.19 No. 16 34 18 26 30.22
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0.595 No. 30 27 13 20 27.12
0.297 No. 50 21 9 15 13.58
0.149 No. 100 17 6 11.5 3.77
0.074 No. 200 0 0 0 1.3
Fondo
Total
Tabla 15. Granulométrica más adecuada a partir de los rangos de Fuller y Thompson
La curva granulométrica de los rangos de Fuller-Thompson, la curva granulométrica más
adecuada y la granulometría optima (granulometría resultante por formar la totalidad del
agregado con 41% de agregado fino, y 59% de agregado grueso, pude verse en el Anexo
No. 3.
6.2 DISEÑO DE MEZCLA PARA UN CONCRETO DE 3000 psi
Siguiendo la metodología propuesta por el RNL, y teniendo en cuenta que el agregado se
compone de Arena en un 41% y de Gravilla en un 59%, se diseño la mezcla de prueba para
obtener un concreto de resistencia de 3000 psi.
6.2.1 Selección del asentamiento. Se partió de un asentamiento entre 5 y 10 cm, en busca
de obtener un concreto de consistencia media, que es utilizado en secciones medianamente
reforzadas como pavimentos compactados a mano, losas, muros, vigas, y demás elementos
estructurales de colocación manual.
6.2.2 Selección del tamaño máximo del agregado. El tamaño máximo nominal obtenido
en la caracterización de la mezcla, fue de 19 mm.
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6.2.3 Estimación del contenido de aire. De acuerdo con el contenido de aire para un
determinado agregado, según recomendaciones del ACI, un material granular con tamaño
máximo nominal de 19 mm, atrapa naturalmente el 2% del volumen de mezcla.
6.2.4 Estimación del contenido de agua. De acuerdo con el contenido de agua para un
determinado agregado, según recomendaciones del ACI, un material granular con tamaño
máximo nominal de 19 mm y un asentamiento entre 5 y 10 cm, requiere de 200 lt de agua
por metro cúbico de mezcla.
6.2.5 Resistencia de diseño. La resistencia de diseño se fijo en 3000 psi para observar el
cambio de ésta resistencia de uso convencional, al hacer modificaciones en el diseño de
mezcla.
6.2.6 Relación agua/cemento. Dada la resistencia de diseño y siguiendo las
recomendaciones del ACI, se tomó una relación A/C inicial de 0.58.
6.2.7 Contenido de cemento. Dado el contenido de agua por metro cúbico de mezcla y la
relación A/C, el contenido de cemento dentro de la mezcla se determina mediante la
expresión:
ACAC /=
Donde:
A/C = Relación agua/cemento.
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C = Contenido en peso de cemento en la mezcla.
A = Contenido en peso de agua en la mezcla.
Y el volumen que ocupa el cemento dentro de la mezcla, se determina mediante la formula:
1000×=
cCVC
γ
Donde:
VC = Volumen de la mezcla correspondiente a cemento.
C = Contenido en peso de cemento en la mezcla.
γc = Densidad del cemento.
6.2.8 Contenido de agregado. Una vez obtenido el volumen que ocupa el cemento dentro
de la mezcla, y de acuerdo a los porcentajes obtenidos en la optimización del agregado, se
obtiene el contenido de agregado fino y grueso dentro de la mezcla:
41.0*1000
1
−−−= VaireVCAVAF
59.0*1000
1
−−−= VaireVCAVAG
Donde:
VC = Volumen de la mezcla correspondiente a cemento.
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VAF = Volumen de la mezcla correspondiente al agregado fino.
VAG = Volumen de la mezcla correspondiente al agregado grueso.
A = Contenido en peso de agua en la mezcla.
Vaire = Volumen de aire naturalmente atrapado en la mezcla (2%).
Conocidos los volúmenes que ocupan los agregados en la mezcla, se obtiene la cantidad en
peso de cada agregado, por medio de la expresión:
1000××= γVP
Donde:
V = Volumen del agregado.
γ = Densidad del agregado.
P = Peso del agregado.
6.2.9 Ajustes por humedad. De acuerdo a la humedad que tuvieran los agregados en el
momento inmediatamente anterior a hacer la mezcla, se modifica la cantidad de agregado y
la cantidad de agua a adicionar, así:
)1(12 HPP +×=
Donde:
H = Humedad del agregado.
P1 = Peso inicial del agregado.
P2 = Peso final del agregado.
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[ ] [ ])()(12 ABSagHagPagABSafHafPafAA −×±−×±=
Donde:
A2 = Agua final ha adicionar.
A1 = Agua inicial ha adicionar.
Paf = Peso inicial del agregado fino.
Pag = Peso inicial del agregado grueso.
Haf = Humedad del agregado fino.
Hag = Humedad del agregado grueso.
ABSaf = Absorción del agregado fino.
ABSag = Absorción del agregado grueso.
6.3 DISEÑO DE MEZCLA PARA CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
Como se menciono antes, los concretos de alta resistencia se caracterizan por tener un
contenido alto de cemento en la mezcla con respecto a los concretos de resistencia normal.
Para medir la resistencia de este tipo de concretos, es necesario fabricar probetas en el
molde estándar de 30 cm de alto por 15 cm de diámetro.
6.3.1 Selección del asentamiento. Se tomo un asentamiento entre 5 y 10 cm, en busca de
obtener un concreto de consistencia media, para que tuviera la misma consistencia que el
concreto de resistencia normal.
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6.3.2 Selección del tamaño máximo del agregado. El tamaño máximo nominal
recomendado para producir concreto de alta resistencia, debe ser de 12 a 19 mm. De
acuerdo a la caracterización del agregado grueso, el agregado cumple con el tamaño
requerido para la mezcla.
6.3.3 Contenido de cemento. Basándome en los resultados obtenidos en la investigación
de Alfonso Carrasco Morales, estudiante de pregrado de la Universidad de los Andes, quien
realizo el proyecto de grado bajo el nombre Diseño de mezcla para concretos de alta
resistencia en el medio colombiano, fije el contenido de cemento en 500 Kg por metro
cúbico de mezcla. El volumen que ocupa el cemento dentro de la mezcla se determina de la
misma forma que en el concreto de resistencia normal.
6.3.4 Contenido de carburo de silicio. Según la valoración previamente establecida, se
estimó el contenido de carburo de silicio como el 4.33% en peso de cemento contenido en
un metro cúbico de mezcla. Este porcentaje se duplico y finalmente se triplico con el fin de
obtener el concreto de alta resistencia.
6.3.5 Estimación del contenido de aire. De acuerdo con el contenido de aire para un
determinado agregado, según recomendaciones del ACI, un material granular con tamaño
máximo nominal de 19 mm, atrapa naturalmente el 2% del volumen de mezcla.
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6.3.6 Contenido de superplastificante. Siguiendo las especificaciones de Sika Andina
S.A., se añadió el Sikament NS como el 2% en peso de cemento contenido en un metro
cúbico de mezcla.
6.3.7 Relación agua/cemento. Teniendo en cuenta las indicaciones en cuanto al uso del
superplastificante, al adicionarlo en esa proporción se debe reducir la relación A/C en un
30%, si se hubiera adicionado en un 1%, solo podría reducirse la relación A/C en un 15%.
Como se esta modificando la mezcla de resistencia normal para obtener el concreto de alta
resistencia, la relación A/C que se reduce, es la que se utilizó para el diseño del concreto de
resistencia normal.
6.3.8 Estimación del contenido de agua. Dado el contenido de cemento por metro cúbico
de mezcla y la relación A/C, el contenido de agua dentro de la mezcla se determina
mediante la expresión:
CCAA /=
Donde:
A/C = Relación agua/cemento.
C = Contenido en peso de cemento en la mezcla (500 Kg).
A = Contenido en peso de agua en la mezcla.
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6.3.9 Contenido de agregado. Conservando la composición del agregado en un 41% de
Arena y en un 59% de Gravilla, y una vez obtenido el contenido de agua dentro de la
mezcla se obtiene el contenido de agregado fino y grueso dentro de la mezcla:
41.0*1000
1
−−−= VaireVCAVAF
59.0*1000
1
−−−= VaireVCAVAG
Donde:
VC = Volumen de la mezcla correspondiente a cemento.
VAF = Volumen de la mezcla correspondiente al agregado fino.
VAG = Volumen de la mezcla correspondiente al agregado grueso.
A = Contenido en peso de agua en la mezcla.
Vaire = Volumen de aire naturalmente atrapado en la mezcla (2%).
Conocidos los volúmenes que ocupan los agregados en la mezcla, se obtiene la cantidad en
peso de cada agregado, por medio de la expresión:
1000××= γVP
Donde:
V = Volumen del agregado.
2002 � II � IC � 37
γ = Densidad del agregado.
P = Peso del agregado.
6.3.10 Ajustes por humedad. Al igual que en el concreto de resistencia normal, en el
concreto de alta resistencia el contenido de agregados y de agua en la mezcla debe ajustarse
de acuerdo a la humedad retenida por los agregados en el momento de hacer la mezcla. La
metodología para el ajuste es la misma que se utiliza para el concreto de resistencia normal.
6.4 DISEÑOS OBTENIDOS
Siguiendo los pasos descritos anteriormente, se diseñaron y fabricaron las siguientes
mezclas:
6.4.1 Diseños de Concreto de resistencia normal
Mezcla de Prueba
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]
Cemento 344.83 3.10 0.111 344.83
Agua 200.00 1.00 0.200 0.58 228.39
Aire 0.020 0.00
Agregado Fino 656.83 2.39 0.274 702.80
Agregado Grueso 945.19 2.40 0.395 983.00
Tabla 16. Mezcla de Prueba
Primera mezcla patrón
Haciendo la reducción en peso de la cantidad de agua, y reduciendo la relación A/C, se
obtienen las siguientes cantidades de materiales para obtener un metro cúbico de mezcla:
2002 � II � IC � 37
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION
Cemento 347.37 3.10 0.112
Agua 198.00 1.00 0.198 0.57
Aire 0.020
Agregado Fino 657.99 2.39 0.275
Agregado Grueso 946.86 2.40 0.395
Tabla 17. Primera mezcla de patrón
Mezclas para mejorar la resistencia del concreto de resistencia normal
Mezcla AA
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]
Cemento 425,00 3,10 0,137 425,00
Agua 170,00 1,00 0,170 0,40 199,23
Aire 0,020 0,00
Agregado Fino 660,89 2,39 0,276 707,81
Agregado Grueso 951,04 2,40 0,397 989,08
Tabla 18. Mezcla AA para encontrar la relación A/C y el contenido de agua
Mezcla BB
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]
Cemento 340,00 3,10 0,110 340,00
Agua 170,00 1,00 0,170 0,50 200,42
Aire 0,020 0,00
Agregado Fino 687,82 2,39 0,287 736,66
Agregado Grueso 989,79 2,40 0,413 1029,38
Tabla 19. Mezcla BB para encontrar la relación A/C y el contenido de agua
Segunda, tercera y cuarta mezcla patrón
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION
Cemento 425,00 3,10 0,137
Agua 170,00 1,00 0,170 0,40
2002 � II � IC � 37
Aire 0,020
Agregado Fino 660,89 2,39 0,276
Agregado Grueso 951,04 2,40 0,397
Tabla 20. Segunda, tercera y cuarta mezcla patrón
Estas mezclas se nombraron A�, B�, C� y D� respectivamente. Los cilindros fallados se
presentan en el Anexo No. 12.
6.4.2 Diseños de Concreto de alta resistencia
Primera Mezcla (A)
Tabla 21. Primera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla A)
Segunda Mezcla (B)
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]Cemento 500,00 3,10 0,161 500,00 Carburo de Silicio 21,67 3,20 0,007 0,0433 21,67 Aire 0,020 0,00
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]
Cemento 500.00 3.10 0.161 500.00
Carburo de Silicio 21.67 3.20 0.007 0.0433 21.67
Aire 0.020 0.00
Superplastificante 10.00 1.20 0.008 0.02 10.00
Agua 203.00 1.00 0.203 0.41 228.50
Agregado Fino 589.88 2.39 0.246 631.18
Agregado Grueso 848.86 2.40 0.354 882.81
2002 � II � IC � 37
Superplastificante 10,00 1,20 0,008 0,02 10,00 Agua 140,00 1,00 0,140 0,28 168,82 Agregado Fino 651,76 2,39 0,272 698,03 Agregado Grueso 937,90 2,40 0,392 975,41
Tabla 22. Segunda mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla B)
Tercera Mezcla (C)
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]Cemento 500,00 3,10 0,161 500,00 Carburo de Silicio 43,33 3,20 0,014 0,0867 43,33 Aire 0,020 0,00 Superplastificante 10,00 1,20 0,008 0,02 10,00 Agua 140,00 1,00 0,140 0,28 168,53 Agregado Fino 645,11 2,39 0,269 690,91 Agregado Grueso 928,33 2,40 0,388 965,46
Tabla 23. Tercera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla C)
Cuarta Mezcla (D)
MATERIAL PESO [Kg] DENSIDAD [gr/cm³] VOLUMEN [m³] RELACION Ajustes [Kg]Cemento 500,00 3,10 0,161 500,00 Carburo de Silicio 65,00 3,20 0,020 0,13 65,00 Aire 0,020 0,00 Superplastificante 10,00 1,20 0,008 0,02 10,00 Agua 140,00 1,00 0,140 0,28 168,23 Agregado Fino 638,46 2,39 0,267 683,79 Agregado Grueso 918,76 2,40 0,384 955,51
Tabla 24. Cuarta mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla D)
2002 � II � IC � 37
7. RESULTADOS EN ESTADO FRESCO Y EN ESTADO ENDURECIDO
7.1 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS EN ESTADO FRESCO
A la mezcla de prueba no se le pudo hacer el ensayo de asentamiento, ya que la mezcla
producida para fabricar las tres probetas no era suficiente para ocupar el cono de
asentamiento, sin embargo observé que la mezcla no poseía consistencia normal
(Asentamiento entre 5 cm y 10 cm), sino que se encontraba en un estado bastante liquido.
Debido a la fluidez de la mezcla y a los resultados de resistencia obtenidos a los 7 días de
edad, seguí las indicaciones del método del RNL para el diseño de mezclas, en donde
aconsejan disminuir 2 Kg de agua, por cada centímetro que se quiera reducir en el
asentamiento de la mezcla. Además, se redujo en una centésima la relación A/C.
Por medio de la primera mezcla patrón y la primera mezcla de concreto de alta resistencia,
se encontró un asentamiento de 25 cm lo cual condujo a reducir drásticamente la relación
A/C y el contenido de agua en la mezcla.
En las mezclas para mejorar la resistencia del concreto de resistencia normal, se observó un
asentamiento de 15.5 cm para la mezcla que poseía la relación A/C más alta (mezcla BB), y
un asentamiento de 8 cm para la mezcla de menor relación A/C (mezcla AA).
2002 � II � IC � 37
En la segunda, tercera y cuarta mezcla patrón se observó un asentamiento de 10, 9 y 9.5 cm
respectivamente. En la segunda, tercera y cuarta mezcla de concreto de alta resistencia se
observó un asentamiento de 8.5, 8 y 7.4 cm respectivamente
7.2 ENSAYOS EN ESTADO ENDURECIDO
7.2.1 Mezcla de prueba. Los resultados de resistencia a la compresión obtenidos a los 7 y
28 días de la mezcla de prueba, fueron:
MEZCLA DE PRUEBA PARA 3000 psi
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Resistencia (psi)
MP � 1 6513,6 7 1184,8
MP � 2 7504,8 7 1351,4
MP � 3 13300,0 7 2419,2
Tabla 25. Resultados de resistencia a la compresión de la mezcla de prueba
7.2.2 Mezclas para mejorar la resistencia del concreto de resistencia normal
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Peso de Probeta (gr) Resistencia (psi)
AA7 - 1 10062,2 7 4000 1830,2
AA7 - 2 10315,6 7 4000 1876,3
AA7 - 3 9878,5 7 3900 1796,8
AA28 - 1 16769,7 28 3950 3050,3
AA28 - 2 16900,4 28 4000 3074,0
AA28 - 3 16203,0 28 3850 2947,2
2002 � II � IC � 37
BB7 -1 8005,1 7 3850 1456,1
BB7 - 2 8145,9 7 3900 1481,7
BB7 - 3 8353,2 7 3950 1519,4
BB28 - 1 13937,8 28 3900 2535,2
BB28 - 2 13798,6 28 3850 2509,8
BB28 - 3 13848,1 28 3850 2518,8
Tabla 26. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas AA y BB
7.2.3 Primera mezcla de concreto de alta resistencia y primera mezcla patrón
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Concreto Peso Probeta (gr) Resistencia (psi) Prom.
A'7 - 1 6938,4 7 Normal 3700 1262,0
A'7 - 2 7497,7 7 Normal 3800 1363,8
A'7 - 3 7681,8 7 Normal 3800 1397,3 1341,0
A7 - 1 43650,0 7 Alta Resistencia 13600 3528,7
A7 - 2 39850,0 7 Alta Resistencia 12900 3221,5
A7 - 3 40640,0 7 Alta Resistencia 13600 3285,4 3345,2
A'28 - 1 12431,9 28 Normal 3800 2261,3
A'28 - 2 13201,9 28 Normal 3800 2401,3
A'28 - 3 12907,9 28 Normal 3800 2347,8 2336,8
A28 - 1 56630,0 28 Alta Resistencia 13000 4578,0
A28 - 2 53000,0 28 Alta Resistencia 13000 4284,6
A28 - 3 60900,0 28 Alta Resistencia 13400 4923,2 4595,2
A'56 - 1 14063,0 56 Normal 3800 2557,9
A'56 - 2 14273,0 56 Normal 3800 2596,1
A'56 - 3 14833,0 56 Normal 3800 2698,0 2617,4
A56 - 1 63560,0 56 Alta Resistencia 13500 5138,2
A56 - 2 61470,0 56 Alta Resistencia 13400 4969,3 5053,8
Tabla 27. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas A y A�
2002 � II � IC � 37
Por medio de estos resultados se calculó de acuerdo a la formula de Fuller y Thompson, y
en base al promedio de los resultados obtenidos, la constante �K� del cemento para poder
predecir la resistencia a la compresión a los 28 días de acuerdo a la resistencia obtenida a
los 7 días de edad.
K cemento Resistencia 27,190 Normal 21,613 Alta Resistencia
Tabla 28. Constante K del cemento
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos de la primera mezcla, se redujo la relación A/C
de 0.58 a 0.4, y se volvió a adicionar el Carburo de Silicio como el 4.33% en peso del peso
de cemento contenido en la mezcla, para determinar el efecto producido por el alto
contenido de agua en la primera mezcla.
7.2.4 Segunda mezcla de concreto de alta resistencia y segunda mezcla patrón.
Debido a que la constante K del cemento se evaluó para una relación A/C y una cantidad de
agua diferente a la utilizada de la segunda mezcla en adelante, la predicción en la
resistencia a la compresión a los 28 días de edad con respecto a la resistencia obtenida a los
7 días, era diferente, debido a que al poseer menor cantidad de agua, aumenta la resistencia
del espécimen.
2002 � II � IC � 37
Por lo tanto, para poder predecir un valor, se necesita hacer un estimativo estadístico de las
variables involucradas en el ensayo en cuestión. No se pueden predecir valores futuros de
unas variables, a partir de estimativos logrados con alguna o varias variables diferentes.
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Concreto Peso Probeta (gr) Resistencia (psi) Prom.
B'7 - 1 10112,5 7 Normal 3700 1839,4
B'7 - 2 10367,2 7 Normal 3800 1885,7
B'7 - 3 9927,9 7 Normal 3800 1805,8 1843,6
B7 - 1 46705,5 7 Alta Resistencia 13900 3775,7
B7 - 2 41842,5 7 Alta Resistencia 13700 3382,6
B7 - 3 43078,4 7 Alta Resistencia 13800 3482,5 3546,9
B'28 - 1 16836,8 28 Normal 3800 3062,5
B'28 - 2 16968,0 28 Normal 3800 3086,3
B'28 - 3 16251,6 28 Normal 3800 2956,0 3034,9
B28 - 1 60717,2 28 Alta Resistencia 13000 4908,4
B28 - 2 58579,5 28 Alta Resistencia 13000 4735,6
B28 - 3 64617,6 28 Alta Resistencia 13400 5223,7 4955,9
B'56 - 1 18520,5 56 Normal 3800 3368,7
B'56 - 2 19004,2 56 Normal 3800 3456,7
B'56 - 3 18689,4 56 Normal 3800 3399,4 3408,3
B56 - 1 66788,9 56 Alta Resistencia 13500 5399,3
B56 - 2 65023,2 56 Alta Resistencia 13400 5256,5
B56 - 3 71725,5 56 Alta Resistencia 13400 5798,3 5484,7
Tabla 29. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas B y B�
2002 � II � IC � 37
7.2.5 Tercera mezcla de concreto de alta resistencia y tercera mezcla patrón. Como
los resultados obtenidos no fueron satisfactorios, se adiciono el Carburo de Silicio como el
8.66% en peso del peso de cemento contenido en la mezcla.
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Concreto Peso Probeta (gr) Resistencia (psi) Prom.
C'7 - 1 10011,4 7 Normal 3700 1821,0
C'7 - 2 10377,5 7 Normal 3800 1887,6
C'7 - 3 9828,6 7 Normal 3800 1787,7 1832,1
C7 - 1 46985,7 7 Alta Resistencia 14250 3798,4
C7 - 2 43934,6 7 Alta Resistencia 14100 3551,7
C7 - 3 44520,3 7 Alta Resistencia 14100 3599,0 3649,7
C'28 - 1 16820,0 28 Normal 3800 3059,4
C'28 - 2 16934,2 28 Normal 3800 3080,2
C'28 - 3 16203,0 28 Normal 3800 2947,2 3028,9
C28 - 1 65780,0 28 Alta Resistencia 13900 5317,7
C28 - 2 65901,9 28 Alta Resistencia 14000 5327,6
C28 - 3 60102,4 28 Alta Resistencia 14050 4858,7 5168,0
C'56 - 1 18502,0 56 Normal 3800 3365,4
C'56 - 2 18966,3 56 Normal 3800 3449,8
C'56 - 3 18633,5 56 Normal 3800 3389,3 3401,5
C56 - 1 72358,0 56 Alta Resistencia 13900 5849,5
C56 - 2 75787,2 56 Alta Resistencia 13900 6126,7
C56 - 3 67915,7 56 Alta Resistencia 14000 5490,3 5822,2
Tabla 30. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas C y C�
2002 � II � IC � 37
7.2.6 Cuarta mezcla de concreto de alta resistencia y tercera mezcla patrón. Como los
resultados de la tercera mezcla no fueron satisfactorios, se adiciono el Carburo de Silicio
como el 13% en peso del peso de cemento contenido en la mezcla.
Cilindro Carga (Kg) Curado (días) Concreto Peso Probeta (gr) Resistencia (psi) Prom.
D'7 - 1 10061,9 7 Normal 3700 1830,2
D'7 - 2 10372,4 7 Normal 3800 1886,6
D'7 - 3 9878,3 7 Normal 3800 1796,8 1837,9
D7 - 1 47925,4 7 Alta Resistencia 14300 3874,3
D7 - 2 44901,2 7 Alta Resistencia 14200 3629,8
D7 - 3 45410,7 7 Alta Resistencia 14300 3671,0 3725,1
D'28 - 1 16535,8 28 Normal 3800 3007,7
D'28 - 2 16894,0 28 Normal 3800 3072,9
D'28 - 3 16213,5 28 Normal 3800 2949,1 3009,9
D28 - 1 67574,9 28 Alta Resistencia 14250 5462,8
D28 - 2 66902,8 28 Alta Resistencia 14200 5408,5
D28 - 3 63575,0 28 Alta Resistencia 14100 5139,4 5336,9
D'56 - 1 18354,7 56 Normal 3800 3338,6
D'56 - 2 18921,3 56 Normal 3800 3441,6
D'56 - 3 17834,8 56 Normal 3800 3244,0 3341,4
D56 - 1 75683,9 56 Alta Resistencia 14200 6118,3
D56 - 2 76269,2 56 Alta Resistencia 14200 6165,6
D56 - 3 71204,0 56 Alta Resistencia 14100 5756,2 6013,4
Tabla 31. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas D y D�
2002 � II � IC � 37
8. RELACION BENEFICIO / COSTO
La adición de carburo de silicio contribuye al incremento de la resistencia a la compresión
del concreto. Es fundamental evaluar el beneficio adquirido por la adición de este material
a la hora de producir un concreto de alta resistencia con esta adición.
Teniendo en cuenta que para la producción de este concreto de alta resistencia se utilizaron
los mismos materiales granulares que para producir un concreto de resistencia normal, a
continuación presento un análisis de precios unitarios para un concreto de resistencia
normal y para el concreto reforzado con carburo de silicio, versus el costo de fabricación de
un concreto de alta resistencia producido de la forma convencional con Microsílice.
ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS
OBRA : Construcción convencional ACTIVIDAD : Concreto 3000 psi
UN: m³
Insumos UN Cantidad Desperdicio P.Unitario Valor
Agrega. Grueso m³ 0,397 4% $ 40.000 $ 16.515
Agrega. Fino m³ 0,276 5% $ 40.000 $ 11.592
Cemento m³ 0,137 4% $ 1.147.000 $ 163.425
Agua m³ 0,170 8% $ 1.241 $ 228
Fuerza Motriz hc 0,600 $ 9.000 $ 5.400
Valor Total $ 197.160
Especificaciones: Tamaño máximo de agregado grueso = 19 mm. Agregado rugoso
Mezcla de consistencia media. Asentamiento entre 5 y 10 cm Contenido de aire incluido durante la mezcla = 2%
Tabla 32. Análisis de precios unitarios de un concreto de 3000 psi
2002 � II � IC � 37
ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS OBRA : Puentes con grandes luces, edificios de gran altura, etc. ACTIVIDAD : Concreto 6000 psi con carburo de silicio
UN: m³
Insumos UN Cantidad Desperdicio P.Unitario Valor
Agrega. Grueso m³ 0,384 4% $ 40.000 $ 15.974
Agrega. Fino m³ 0,267 5% $ 40.000 $ 11.214
Cemento m³ 0,161 4% $ 1.147.000 $ 192.054
Agua m³ 0,140 8% $ 1.241 $ 188
Superplastificante m³ 0,008 1% $ 6.124.800 $ 49.488
Carburo de Silicio m³ 0,020 2% $ 26.240.000 $ 535.296
Fuerza Motriz hc 0,600 $ 9.000 $ 5.400
Valor Total $ 809.614
Especificaciones: Tamaño máximo de agregado grueso = 19 mm. Agregado rugoso
Mezcla de consistencia media. Asentamiento entre 5 y 10 cm Contenido de aire incluido durante la mezcla = 2%
Tabla 33. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Carburo de silicio
ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS OBRA : Puentes con grandes luces, edificios de gran altura, etc. ACTIVIDAD : Concreto 6000 psi con Microsílice
UN: m³
Insumos UN Cantidad Desperdicio P.Unitario Valor
Agrega. Grueso m³ 0,427 4% $ 40.000 $ 17.763
Agrega. Fino m³ 0,223 5% $ 40.000 $ 9.366
Cemento m³ 0,161 4% $ 1.147.000 $ 192.054
Agua m³ 0,151 8% $ 1.241 $ 202
Superplastificante m³ 0,008 1% $ 6.124.800 $ 49.488
Microsílice m³ 0,010 2% $ 5.775.000 $ 58.905
Fuerza Motriz hc 0,600 $ 9.000 $ 5.400
Valor Total $ 333.179
Especificaciones: Tamaño máximo de agregado grueso = 19 mm. Agregado rugoso Mezcla de consistencia media. Asentamiento entre 5 y 10 cm
Contenido de aire incluido durante la mezcla = 2%
Tabla 34. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Microsílice
2002 � II � IC � 37
De acuerdo al análisis de precios unitarios, la resistencia obtenida en la investigación es
muy costosa ya que se incurre en un sobre costo de $ 476.435 pesos con respecto a un
concreto para la misma resistencia elaborado con Microsílice.
2002 � II � IC � 37
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Por medio de ensayos de laboratorio se pudo evaluar la respuesta mecánica del concreto
reforzado con partículas de material cerámico. En el Anexo No. 4 puede verse que a
medida que aumenta la proporción de carburo de silicio en la mezcla, aumenta la
resistencia a la compresión del espécimen de concreto.
El concreto es un material compuesto cuyas características físicas y mecánicas dependen de
los elementos que lo componen. Un aumento en la resistencia a la compresión implica la
utilización de agregados de muy buena calidad con un tamaño máximo nominal especifico,
también se requiere el uso de aditivos superplastificantes y de aditivos especiales.
Para el ensayo de asentamiento y la fundición de los cilindros, se recomienda utilizar una
cuchara metálica de laboratorio para vaciar el concreto dentro de los moldes y evitar un
gran desperdicio de mezcla.
A la mezcla de prueba no se le pudo hacer un ensayo de asentamiento debido a la poca
mezcla fabricada, por lo que se recomienda tener en cuanta el volumen del cono de
asentamiento y un desperdicio del 5 al 10% de la mezcla, para hacer este tipo de pruebas
sobre el concreto en estado fresco.
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En la primera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla A), solo se pudieron fabricar
ocho probetas de concreto ya que el desperdicio estimado para la fundición fue muy bajo.
Se recomienda utilizar un desperdicio del 10 al 20 % de la mezcla a fabricar, porcentaje que
depende del estado de los cilindros, de la facilidad que se tenga para la colocación del
concreto en las probetas, y de la experiencia en el vaciado del concreto en las camisas.
Un aumento en la resistencia a la compresión implica un aumento de peso en el espécimen,
esto se puede visualizar en el Anexo No. 5.
La proporción ideal de carburo de silicio con la cual se obtiene un concreto de alta
resistencia, depende del contenido de cemento en la mezcla, del tamaño máximo nominal
del agregado grueso, de la relación agua/cemento, del contenido de agua en la mezcla, de la
gradación del agregado, y de las condiciones de compactado y curado de la mezcla. En esta
investigación se logró obtener un concreto de 6000 psi al adicionar 13% de carburo de
silicio en peso con respecto a la cantidad de cemento en peso contenida en la mezcla.
Las partículas de carburo de silicio dentro de la matriz del concreto (pasta de cemento), se
comportan como un microconstituyente que dificulta la propagación de fisuras en la pasta,
genera mayor energía para la propagación de fisuras, por lo que permite que el concreto
aumente su resistencia a la compresión.
Durante la etapa experimental se observo que a mayor contenido de carburo de silicio
dentro de la mezcla, mayor era la resistencia a la compresión a las diferentes edades del
concreto. Ver Anexo No. 6.
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Se quiso predecir la resistencia a la compresión a los 28 y 56 días de edad con respecto a al
resistencia obtenida a los 7 días de curado, con el fin de agilizar la investigación y no
requerir la utilización de acelerantes en el concreto. Debido a que la constante K del
cemento se evaluó para una relación A/C y una cantidad de agua diferente a la utilizada de
la segunda mezcla en adelante, la predicción arrojo datos errados. Por lo tanto, para poder
predecir un valor, se necesita hacer un estimativo estadístico de las variables involucradas
en el ensayo en cuestión. No se pueden predecir valores futuros de unas variables, a partir
de estimativos logrados con alguna o varias variables diferentes.
Para refrentar los cilindros se recomienda iniciar el calentamiento del azufre al mismo
tiempo que se colocan las probetas al secado, ya que la pasta de azufre se demora en
volverse liquida y esto retrasa la programación de falla.
Con base en los resultados obtenidos en la etapa experimental y en la evaluación del
beneficio contra el costo de adición de Carburo de silicio, se puede concluir que no es
rentable la aplicación de este material para producir concretos de alta resistencia.
Para hacer del concreto reforzado con partículas de carburo de silicio, un material rentable
para el diseño de estructuras en el medio colombiano, debería implementarse la fabricación
del carburo de silicio en el país. De ser posible la producción del carburo de silicio, podría
evaluarse la implementación del concreto de alta resistencia en zonas de alta sismicidad.
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