DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO

INTRODUCCIÓNEl estudio sobre el estudio del diseño de mezclas del concreto necesita de materias primas, tales como: Cemento Portland, agua, agregados, aditivos y/o adiciones.En este trabajo de investigación para un diseño de mezcla se debe dar que los deben pasar por los métodos y estudios dados por la norma ASTM que cumplan con sus especificaciones para así obtener una dosificación confiable, trabajable, etc.Un diseño de mezcla es vital y no es fácil de hacer tiene que haber un estricto control y ejecución de los ensayos de cada uno de los materiales, agregados, agua, cemento, etc. Este tema a tratar es uno de los temas más importantes de la carrera de ingeniería civil porque el ingeniero encargado de obras va a interactuar con este material en todo proyecto, es de vital importancia saber cómo se diseña concreto para respectivo uso que se le va a brindar.Se sabe que actualmente no se está preparando el concreto como debería hacerse y esto es por la falta de seriedad que se le pone al tema de diseño, una persona capacitada y seria sabe que este estudio es vital para que nuestro proyecto sea de buena calidad y eficiente.En este trabajo vamos a hablar los pasos que se debe seguir para realizar un buen estudio de diseño de mezclas.

PROPORCIONAMIENTO DE MEZCLAS DE CONCRETO DE PESO NORMAL

Proporcionar o diseñar una mezcla de concreto consiste en determinar las cantidades relativas de materiales que hay que emplear en la mezcla para obtener un concreto adecuado para un uso determinado.El proporcionamiento de mezclas de concreto, más comúnmente llamado diseño de mezclas es un proceso que consiste de pasos dependientes entre sí: a) Selección de los ingredientes convenientes (cemento, agregados, agua y aditivos). b) Determinación de sus cantidades relativas “proporcionamiento” para producir un, tan económico como sea posible, un concreto de trabajabilidad, resistencia a compresión y durabilidad apropiada. Estas proporciones dependerán de cada ingrediente en particular los cuales a su vez dependerán de la aplicación particular del concreto. También podrían ser considerados otros criterios, tales como minimizar la contracción y el asentamiento o ambientes químicos especiales. Se sabe que si se logran estas dos propiedades como la resistencia a la compresión y durabilidad apropiada las otras propiedades del concreto también serán satisfactorias (excepto la resistencia al congelamiento y deshielo u otros problemas de durabilidad tales como resistencia al ataque químico). Sin embargo antes de pasar a ver los métodos de diseño en uso común en este momento, será de mucha utilidad revisar, en más detalle, las consideraciones básicas de diseño.

CONSIDERACIONES BASICAS Economía

Los costos de los materiales son los más importantes y los que se deben tomar en cuenta para comparar mezclas diferentes. Debido a que el cemento es más costoso que los agregados, es claro que minimizar el contenido del cemento en el concreto es el factor más importante para reducir el costo del concreto. En general, esto puede ser echo del siguiente modo: - Utilizando el menor slump que permita una adecuada

colocación. - Utilizando una relación óptima del agregado grueso al agregado

fino. - Y cuando sea necesario utilizando un aditivo conveniente.

Resistencia y durabilidad: La resistencia y durabilidad (calidad) del concreto esta principalmente relacionada con la relación agua-cemento de la pasta y con la granulometría y tipo de partículas del agregado. Uno como el que realiza el diseño de la mezcla debe tener este concepto bien en claro: el diseñar concreto tiene un fin importante ser económicamente rentable y que sus propiedades de resistencia y durabilidad sean altamente calificadas sino no tendría sentido diseñar mezcla.

Trabajabilidad: La facilidad de colocación, consolidación y acabado del concreto fresco y el grado que resiste a la segregación se llama trabajabilidad. El concreto debe ser trabajable pero los ingredientes no deben separarse durante el transporte.

¿QUE ENSAYOS SE REALIZAN A LOS MATERIALES PARA DISEÑAR UNA

MEZCLA?- Análisis granulométrico de los agregados - Peso unitario compactado de los agregados (fino y grueso) - Peso específico de los agregados (fino y grueso) - Contenido de humedad y porcentaje de absorción de los agregados (fino y grueso) - Perfil y textura de los agregados - Tipo y marca del cemento - Peso específico del cemento - Relaciones entre resistencia y la relación agua/cemento, para combinaciones posibles de cemento y agregados.

PASOS PARA EL PROPORCIONAMIENTOPodemos resumir la secuencia del diseño de mezclas de la siguiente manera: 1. Estudio detallado de los planos y especificaciones técnicas de obra. 2. Elección de la resistencia promedio.3. Elección del Asentamiento (Slump) 4. Selección del tamaño máximo del agregado grueso. 5. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire.6. Selección de la relación agua/cemento (a/c). 7. Cálculo del contenido de cemento. 8. Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino. 9. Ajustes por humedad y absorción.

10. Cálculo de proporciones en peso. 11. Cálculo de proporciones en volumen. 12. Cálculo de cantidades por tanda.

1. Especificaciones técnicas Antes de diseñar una mezcla de concreto debemos tener en cuenta, primero, el revisar los planos y las especificaciones técnicas de obra, donde podremos encontrar todos los requisitos que fijó el ingeniero proyectista para que la obra pueda cumplir ciertos requisitos durante su vida útil.

2. Elección de la resistencia promedio 2.1. Cálculo de la desviación estándar Método 1 Si se posee un registro de resultados de ensayos de obras anteriores deberá calcularse la desviación estándar. El registro deberá: a) Representar materiales, procedimientos de control de calidad y condiciones similares a aquellos que se espera en la obra que se va a iniciar. b) Representar a concretos preparados para alcanzar una resistencia de diseño f’c que este dentro del rango de 2±70 kg/cm de la especificada para el trabajo a iniciar. Si se posee un registro de 3 ensayos consecutivos la desviación estándar se calculará aplicando la siguiente fórmula:

Donde: s = Desviación estándar, en kg /cm2

xi = Resistencia de la probeta de concreto, en kg /cm2

X= Resistencia promedio de N probetas, en kg /cm2

n = Número de ensayos consecutivos de resistenciac) Consistir de por lo menos 30 ensayos consecutivos o dos grupos de ensayos consecutivos que totalicen por lo menos 30 ensayos. Si se posee dos grupos de ensayos consecutivos que totalicen por lo menos un registro de 30 ensayos consecutivos, la desviación estándar promedio se calculará con la siguiente fórmula:

Método 2 Si solo se posee un registro de 15 a 29 ensayos consecutivos, se calculara la desviación estándar “s” correspondiente a dichos ensayos y se multiplicara por el factor de corrección indicado en la tabla 2.1 para obtener el nuevo valor de “s”. El registro de ensayos a que se hace referencia en este Método deberá cumplir con los requisitos a), b) del método 1 y representar un registro de ensayos

consecutivos que comprenda un periodo de no menos de 45 días calendario.

2.2. Cálculo de la resistencia promedio requerida Una vez que la desviación estándar ha sido calculada, la resistencia a compresión promedio requerida (f 'cr )se obtiene como el mayor valor de las ecuaciones (1) y (2). La ecuación (1) proporciona una probabilidad de 1 en 100 que el promedio de tres ensayos consecutivos estará por debajo de la resistencia especificada f 'c. La ecuación (2) proporciona una probabilidad de similar que ensayos individuales estén 35 kg /cm2 por debajo de la resistencia especificada f ´c.

a) Si la desviación estándar se ha calculado de acuerdo a lo indicado en el Método 1 o el Método 2, la resistencia promedio requerida será el mayor de los valores determinados por las formulas siguientes usándola desviación estándar “s” calculada.

Donde: s = Desviación estándar, en kg /cm2

b) Si se desconoce el valor de la desviación estándar, se utilizara la Tabla 2.2 para la determinación de la resistencia promedio requerida.

3) Elección del asentamiento (Slump)

Si las especificaciones técnicas de obra requieren que el concreto tenga una determinada consistencia, el asentamiento puede ser elegido de la siguiente tabla:

Si las especificaciones de obra no indican la consistencia, ni asentamiento requeridos para la mezcla a ser diseñada, utilizando la tabla 3.2 podemos seleccionar un valor adecuado para un determinado trabajo que se va a realizar. Se deberán usar las mezclas de la consistencia más densa que puedan ser colocadas

eficientemente.

4. Selección de tamaño máximo del agregado

Las Normas de Diseño Estructural recomiendan que el tamaño máximo nominal del agregado grueso sea el mayor que sea

económicamente disponible, siempre que sea compatible con las dimensiones y características de la estructura. La Norma Técnica de Edificación E. 060prescribe que el agregado grueso no deberá ser mayor de: a) 1/5 de la menor dimensión entre las caras de encofrados; o b) 1/3 del peralte de la losa; o c) 3/4 del espacio libre mínimo entre barras individuales de refuerzo, paquetes de barras, tendones o ductos de presfuerzo. El tamaño máximo nominal determinado aquí, será usado también como tamaño máximo simplemente. Se considera que, cuando se incrementa el tamaño máximo del agregado, se reducen los requerimientos del agua de mezcla, incrementándose la resistencia del concreto. En general este principio es válido con agregados hasta 40mm (1½’’). En tamaños mayores, sólo es aplicable a concretos con bajo contenido de cemento.5. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire La tabla 5.1, preparada en base a las recomendaciones del Comité 211 del ACI, nos proporciona una primera estimación del agua de mezclado para concretos hechos con diferentes tamaños máximos de agregado con o sin aire incorporado.

Al mismo tiempo, podemos usar la tabla 5.2 para calcularla cantidad de agua de mezcla tomando en consideración, además de la consistencia y tamaño máximo del agregado, el perfil del mismo.

Los valores de la tabla 5.2

La tabla 5.1 nos muestra también el volumen aproximado de aire atrapado, en porcentaje, a ser esperado en un concreto sin aire incorporado y los promedios recomendados del contenido total de aire, en función del grado de exposición, para concretos con aire incorporado intencionalmente por razones de durabilidad a ciclos de congelamiento y deshielo, agua de mar o sulfatos. Obtenidos los valores de cantidad de agua y de aire atrapado para un metro cúbico de concreto procedemos a calcular el volumen que ocupan dentro de la unidad de volumen de concreto:

6. Elección de la relación agua/cemento (a/c) Existen dos criterios (por resistencia, y por durabilidad) para la selección de la relación a/c, de los cuales se elegirá el menor de los valores, con lo cual se garantiza el cumplimiento de los requisitos de las especificaciones. Es importante que la relación a/c seleccionada con base en la resistencia satisfaga también los requerimientos de durabilidad. 6.1. Por resistencia

Para concretos preparados con cemento Portland tipo 1 o cementos comunes, puede tomarse la relación a/c de la tabla 6.1

6.2 . Por durabilidad

La Norma Técnica de Edificación E.060 prescribe que si se desea un concreto de baja permeabilidad, o el concreto ha de estar sometido a procesos de congelación y deshielo en condición húmeda. Se deberá cumplir con los requisitos indicados en la tabla 6.2.

7. Cálculo del contenido de cemento Una vez que la cantidad de agua y la relación a/c han sido estimadas, la cantidad de cemento por unidad de volumen del concreto es determinada dividiendo la cantidad de agua por la relación a/c. Sin embargo es posible que las especificaciones del proyecto establezcan una cantidad de cemento mínima. Tales requerimientos podrían ser especificados para asegurar un acabado satisfactorio, determinada calidad de la superficie vertical de los elementos o trabajabilidad.

8) Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino METODO DE FÜLLER:

La relación arena/agregado, el volumen absoluto, se determina gráficamente: - Se dibujan las curvas granulométricas de los 2 agregados. - En el mismo papel, se dibuja la parábola de Füller (Ley de Füller). - Por la malla Nº 4 trazamos una vertical la cual determinará en las curvas trazadas 3 puntos.A= % Agregado fino que pasa por la malla Nº 4. B= % Agregado grueso que pasa por la malla Nº 4. C= % Agregado ideal que pasa por la malla Nº 4. Si llamamos: α: % en volumen absoluto del agregado fino dentro de la mezcla de agregados. β : % en volumen absoluto del agregado grueso dentro de la mezcla de agregados.

La figura 8.1 nos muestra un ejemplo de la determinación de las proporciones de agregado fino y agregado grueso en relación al volumen total de agregados por metro cúbico de concreto. Entonces:

Teniendo los valores de α y β podemos calcular el volumen de agregado fino y agregado grueso por metro cúbico de concreto, de la siguiente manera:

Obtenidos los volúmenes de agregado fino y grueso dentro de un metro cúbico

de concreto, calculamos los pesos de agregado fino y grueso para un metro cúbico de concreto:

9) Ajustes por humedad y absorción El contenido de agua añadida para formar la pasta será afectada por el contenido de humedad de los agregados. Si ellos están secos al aire absorberán agua y disminuirán la relación a/c y la trabajabilidad. Por otro lado si ellos tienen humedad libre en su superficie (agregados mojados) aportarán algo de esta agua a la pasta aumentando la relación a/c, la trabajabilidad y disminuyendo la resistencia a compresión. Por lo tanto estos efectos deben ser tomados estimados y la mezcla debe ser ajustada tomándolos en cuenta. Por lo tanto:SI:

Pesos de agregados húmedos:

Agua Efectiva:

10. Cálculo de las proporciones en peso

11. Cálculo de las proporciones en volumen 11.1. Datos necesarios: - Peso unitario suelto del cemento (1500 kg/cm^3). - Pesos unitarios sueltos de los agregados fino y grueso (en condición de humedad a la que se ha determinado la dosificación en peso).11.2. Volúmenes en estado suelto:

En el caso del agua, éste se calculará en litros por bolsa de cemento (Lts Bls), se la siguiente manera:

11.3. Proporciones en volumen:

12. Cálculo de cantidades por tanda: 12.1. Datos necesarios:- Capacidad de la mezcladora. - Proporciones en volumen. 12.2. Cantidad de bolsas de cemento requerido:

12.3. Eficiencia de la mezcladora:

Debido a que la mezcladora debe ser abastecida por un número entero de bolsas de cemento, la cantidad de bolsas de cemento por tanda será igual a un número entero menor a la cantidad de bolsas requerida por la mezcladora.

12.4. Volumen de concreto por tanda:

12.5. Cantidades de materiales por tanda: Teniendo las proporciones en volumen (C:F:G/A), calculamos las cantidades de materiales por tanda: Cemento: 1x2 = 2 bolsas. Agregado fino: Fx2 = Cantidad de A. fino en m^3 Agregado grueso: Gx2 = Cantidad de A. grueso en m^3 Agua : Ax2 = Cantidad de agua en Lts.

Ejemplo de un Diseño de Mezcla

EnsayosAnálisis granulométrico (Granulometría).Se conoce como análisis granulométrico a la acción de pasar al agregado fino o grueso por medio de unas mallas (también conocidas como cribas) y pesar la cantidad de partículas de agregado que quedan retenidas en cada una de las mallas y sacando el porcentaje retenido en cada una de estas con respecto de la muestra original. Un ejemplo de cómo se realiza un análisis de granulometría seria el siguiente: Muestra de 3000 gr de agregados gruesos Muestra de 1000 gr de agregados finos

Serie de tamices (2¨, 1¨, 3/4¨, 1/2¨, 3/8¨, ¼¨, #4, #8, #16,#30, #50, #100, #200), fondo. Balanza analítica. Recipientes de plástico.

DATOS Y RESULTADOS

DATOS

Tabla 1

GRANULOMETRIA DE AGREGADOS FINOSMASA INICIAL DE 1000 GRAMOS

Tamiz Abertura (mm)Masa del Tamiz

Masa retenida +

Masa del Tamiz MasaError

3/8 " 9,5 558 565 7

0,30%

N°4 4,75 480 510 30N°8 2,36 411 460 49

N°16 1,18 536 605 69N°30 0,6 388 534 146N°50 0,3 370 860 490

N°100 0,15 323 490 167N°200 0,075 328 361 33Fondo 287 293 6

Sumatoria: 997Masa Inicial=1000 gramosMasa Final= 997 gramosSe obtuvo un error de 3 gramos lo que corresponde a un 0,30%

Tabla 2

GRANULOMETRIA DE AGREAGADOS GRUESOSMASA INICIAL DE 3000 GRAMOS

TamizAbertura

(mm)Masa del Tamiz

(gr)Masa retenida +

Masa del Tamiz (gr)Masa

Retenida (gr) Error

2" 50 513 513 0

0,20%

1" 25 649 715 663/4" 19 510 1184 6741/2" 12,7 565 1956 13913/8" 9,5 655 943 288N°4 4,75 668 1129 461

Fondo 373 487 114Sumatoria 2994

Masa Inicial = 3000 gramosMasa Final = 2994 gramosSe obtuvo un error de 6 gramos lo que corresponde a un 0,20%

Como tanto en la granulometría de agregado fino como de agregado grueso se obtuvieron errores se tiene que hacer una corrección, dicha corrección es igual a:Agregad o F in o

Tabla 3

GRANULOMETRIA DE FINOSMASA INICIAL DE 1000 GRAMOS

Tamiz Abertura (mm)Masa RetenidaCorregida (gr)

% Retenido %RetenidoAcumulado %Pasa

3/8 " 9,5 7,333333333 0,73% 0,73% 99,27%N°4 4,75 30,33333333 3,03% 3,77% 96,23%N°8 2,36 49,33333333 4,93% 8,70% 91,30%

N°16 1,18 69,33333333 6,93% 15,63% 84,37%N°30 0,6 146,3333333 14,63% 30,27% 69,73%N°50 0,3 490,3333333 49,03% 79,30% 20,70%

N°100 0,15 167,3333333 16,73% 96,03% 3,97%N°200 0,075 33,33333333 3,33% 99,37% 0,63%Fondo 6,333333333 0,63% 100,00% 0,00%

Sumatoria: 1000

CALCULO DEL MODULO DE FINURA

La Norma NTP 400.037 brinda el siguiente análisis granulométrico para agregado fino.

Tabla 5

Tamiz Abertura del Tamiz

Porcentaje que pasa

N°4 4,75 100N°16 1,18 65 - 75N°50 0,3 12 - 20

N°100 0,15 2 - 5%

El cual significa que la granulometría de agregados finos adecuada para el concreto tiene que estar dentro de estos dos límites.

La granulometría de agregado fino de este presente informe resulto de la siguiente manera:

Agregad o Grue so

Tabla 6

GRANULOMETRIA DE AGREAGADOS GRUESOSMASA INICIAL DE 3000 GRAMOS

TamizAbertura

(mm)Masa RetenidaCorregida (gr) % Retenido

%RetenidoAcumulado %Pasa

2" 50 0 0,00% 0,00% 100,00%1" 25 67 2,23% 2,23% 97,77%

3/4" 19 675 22,50% 24,73% 75,27%1/2" 12,7 1392 46,40% 71,13% 28,87%3/8" 9,5 289 9,63% 80,77% 19,23%N°4 4,75 462 15,40% 96,17% 3,83%

Fondo 115 3,83% 100,00% 0,00%Sumatoria 3000

Peso unitario En esta parte del ensayo se usara la información cuando se realizó el ensayo de resistencia a la compresión de probetas a 210 Kg/cm^2

Procedimiento:

½ saco de piedra chancada

½ saco de arena gruesa Cemento Tipo I, 1 bolsa de 42.5 Kg

Objetivo: Medir la resistencia a las 7 días 3 probetas curadas 3 probetas no curadas

PIEDRA CHANCADA DE ½ ´´ Peso total: Piedra chancada en laboratorio 4850 Kg Cantera: Sojo.

NTP 400.023 => 15 curvas de agregado grueso y 1 curva de agregado fino

Tamizado de material

TAMIZ RETUVO (g)

o 1 ½´´ 0o 1 ´´ 0o ¾ ´´ 70o ½ ´´ 2720o 3/8 ´´ 1510o ¼ ´´ 570

Malla n° 4 300

Malla n° 8 0

Malla n° 200 10

AGREGADO FINO

PESO INICIAL 250 NTP ACI 318 =1 CURVA

Tamizado de material

TAMIZ RETUVO (g)

o 3/8 ´´ 0o ¼ ´´ 1.56o 4 4.34o 8 24.93o 16 76.08o 30 66.41o 50 33.92o 100 25.62o 200 11.89

Se lava en la malla Nº 200

GRANULOMETRIA:Se realizó un en ensayo de muestra con piedra chancada.

Humedad Peso Suelto Peso Especifico Peso Variado Compactado Peso Volumétrico (Densidad)

El molde es de acuerdo a la cantidad del material Peso de 2890 gr Volumen 2105

Peso: 2890/2105 = 1.37 gr/cm3 *100 Peso Volumétrico= 3190 de 1/8 ´´ Se hacen 25 golpes por cada capa, son 3 capas.

ARENA FINA

Peso: 2890/2105 = 1.37 gr/cm3 *100

FORMULA: ( pesohumedo−peso secopeso seco )∗100

Peso Húmedo : 172.88 Peso Seco: 157.56 Peso Específico: gravedad específica Peso de Tara: 36.93 Arcilla Específica:

El p” : agua destilada

1 Fiola de 500 ml Peso : 270 Peso de la Fiola + Agua destilada: 668.05 Muestra de la arena: 250g En la fiola se deja 10 minutos

PIEDRA CHANCADA CALCULO DE MATERIAL MEDIANTE PROPORCIONES

1 Cemento +1 *2.52 2.52 + Arena 1.92 *2.52 4.84 Piedra 2.44 *2.52 6.15 Agua 0.59 *2.52 1.49

____ ____ 5.95 15.00

155.95 Por la dosificación de cada elemento:

Cemento Arena Piedra Agua

o 2.52 * 4 = 10.08 * 1.01=10.1808o 4.84 * 4 = 19.26 * 1.01 = 19.5536o 6.15 * 4 = 24.6 * 1.01 = 24.846o 1.49 * 4 = 5.96 * 1.01 = 6.0196

Mezcla:

24.85Kg piedra chancada

19.55 Kg arena fina 10.18 Kg cemento 6.02L agua Se agrega 200ml más de agua

PREPARACION DEL CONCRETO

Para preparar el concreto se fue vertiendo la cantidad que se calculó de material se comenzó con la piedra, arena, cemento y posteriormente el agua y a continuación se empezó hacer la mezcla, la proporción de agua que se había calculado parecía ser muy poca entonces por recomendación de los laboratoristas se le agregó 200 ml de agua, entonces nuestro concreto quedó listo para echarlos a nuestros moldes.

Se hicieron 4 moldes porque se iban a someter a compresión 2 probetas curadas en agua y dos probetas sin curar con qué fin, con el de darnos cuenta cuán importante es curar nuestro concreto una vez vaciado ya que si no se cura va a perder un porcentaje muy amplio de resistencia a la compresión y no va a llegar a cumplir los límites con el cual se diseñó. Cabe recalcar que al momento de vaciar nuestro concreto se recubrió el molde con petróleo para que al momento de sacarlo resbale y salga fácilmente así como que se verte por cada tres capas y en cada capa se le da 25 golpes con el de propósito de lograr una mejor compactación en el concreto.

RESULTADOS FINALES

PROBETAS NO CURADAS A 7 DIAS

Piedra chancada:

FUERZA APLICADA f´c

30 340 Kg 166.3 kg /cm2

27 283 Kg 149.6 kg /cm2

PROBETAS CURDAS A 7 DIAS

Piedra chancada:

FUERZA APLICADA f´c

36 414 Kg 199.60 kg /cm2

39 086 Kg 214.3 kg /cm2

CONCLUSIONES

Conocer las diferentes propiedades del concreto y sus materiales es primordial para el estudio de las estructuras, debido a que estas nos brindaran información con la cual podemos obtener la seguridad necesaria.

La más evidente conclusión es que el diseño de mezclas nos facilita el cálculo de los materiales gracias a factores ya obtenidos en laboratorio a través de datos estandarizados.Los ensayos son muy importantes, debido que a partir de estos podemos conocer las diferentes reacciones que puede tener una estructura con respecto de fuerzas interiores y/o exteriores que pueden suscitarse en ella.Es primordial obtener de buena fuente los materiales para dar como resultado un ideal diseño de mezclas (tanto agregados, agua y cemento).La norma nos brinda datos ya estandarizados con los cuales nos ayudan a los diferentes cálculos para el material.