CRITERIOS Y LIMITACIONES PAR EL DISEÑO DE MEZCLA
Actualmente, el concreto es el elemento más usado en el ámbito mundial para la construcción, lo que conlleva a la evolución de las exigencias para cada uso del mencionado elemento.
La demanda del concreto ha sido la base para la elaboración de los diferentes Diseños de Mezcla, ya que estos métodos permiten a los usuarios conocer no sólo las dosis precisas de los componentes del concreto, sino también la forma mas apropiada para elaborar la mezcla.. Los Métodos de Diseño de mezcla están dirigidos a mejorar calificativamente la resistencia, la calidad y la durabilidad de todos los usos que pueda tener el concreto.}
Diseño de Mezcla
Es un proceso que consiste en calcular las proporciones de los elementos que forman el concreto, con el fin de obtener los mejores resultados.
Existen diferentes métodos de Diseños de Mezcla; algunos pueden ser muy complejos como consecuencia a la existencia de múltiples variables de las que dependen los resultados de dichos métodos, aún así, se desconoce el método que ofrezca resultados perfectos, sin embargo, existe la posibilidad de seleccionar alguno según sea la ocasión.
En oportunidades no es necesario tener exactitud en cuanto a las proporciones de los componentes del concreto, en estas situaciones se frecuenta el uso de reglas generales, lo que permite establecer las dosis correctas a través de recetas que permiten contar con un diseño de mezcla apropiado para estos casos.
Recetas Elementales
Diseño Único
Una parte en volumen de agregado grueso, por una parte de arena y media parte de cemento, agua necesaria para mantener la trabajabilidad. El agregado grueso varía entre piedra picada, grava, canto rodado picado o canto rodado natural, mientras que la arena puede ser natural o de trituración.
La dosis de cemento puede ser medida a través de sacos enteros y medio saco si se cuenta con la experiencia necesaria.
Receta Única
- Piedra o grava de 80 a 95 kgs.
- Arena de 65 a 80 kgs.
- Cemento un saco de 42.5 Kg, equivalente a 7.5 sacos de cementos
por metro cúbico.
- Agua la necesaria de 25 a 30 litros.
Se obtiene 130 litros de concreto, la resistencia esperada es de 18 Mpa (184 Kg/cm). Esta resistencia fue la determinada a los 28 días en probetas cilíndricas de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura.
Si se emplean áridos de buena calidad, y se toman todas las medidas necesarias, se puede obtener una resistencia mayor a los 18 Mpa, o puede suceder lo contrario.
Receta Ampliada.
Se deben tomar en consideración las características más importantes de los agregados, la granulometría y el tamaño máximo. Con respecto a la granulometría solo se deben usar piedras o arenas balanceadas en sus diferentes tamaños de granos, sin exceso o ausencia. Existen tres alternativas correspondientes al tamaño máximo que se vaya a usar.
El agua debe aplicarse con una cantidad tal que se mantenga la trabajabilidad, y la colocación de moldes y encofrados. Esta dosis debe ser lo más precisa posible ya que un exceso de agua disminuye la resistencia, por ello los encargados de esta tarea deben tener experiencia mínima exigida.
Es necesario disponer de un procedimiento detallado, preciso y complejo para obtener resultados obtimos en cuanto a cantidades y proporciones de los componentes del concreto se refiere, así existe la posibilidad de tomar en cuenta los posibles cambios que afectan las características de los componentes, incrementando así mayores índice de calidad.
Algunos métodos son probados en laboratorio y en plantas de preparación comercial, el que se mencionará a continuación dio excelentes resultados y es muy usado en el caso del el empleo de agregados pocos controlados.
Se basa en cuatro aspectos fundamentales; dosis de cemento, trabajabilidad, relación agua/cemento y resistencia, todos estos fundamentos se relacionan a través de dos leyes: Relación Triangular y la Ley de Abrams.
También toma en cuenta dos variables importantes: Tamaño Máximo y Tipos de Agregados, además de explicar la calidad del cemento y el efecto reductor del agua de los aditivos químicos en su parte final; la incorporación de aire, la presencia elevada de ultrafinos o el empleo de dos o más agregados.
El método explica deforma independiente la proporción entre agregado fino y grueso, también la granulometría del agregado combinado lo que permite cambiar dicha proporción sin alterar la dosis de los demás componentes.
Este método es usado para mezcla con resistencias entre los 18 y 42 Mpa, a los 28 días en probetas cilíndricas de 15 x 30 cm, también es usado para concretos con asentamiento en Cono de Abrams entre 2.5 y 13 cm, este método no es el más apropiado para las mezclas ultraresistentes.
Calculo de la Proporción entre Agregados Finos y Gruesos
Un determinado tipo de agregado fino se combina con algún agregado grueso, para dar origen a la mezcla, la granulometría de ambos agregados son conocidos previamente. En la parte interna de la mezcla actúa una combinación de agregados, que va desde la partícula más gruesa del agregado hasta la más fina de la arena. La granulometría debe estar dentro de los límites correspondientes, solo así se puede esperar un buen resultado de la mezcla, tanto en el aspecto de calidad como en el aspecto económico.
En el siguiente gráfico se mostrarán los límites granulométricos de las zonas aconsejables para agregados combinados de los tamaños máximos más usados.
Datos para el Diseño de Mezcla.
Se refiere a las variables tomadas en cuenta dentro del diseño, probablemente una de las variables sea común dentro de todos los métodos debido a que son de suma importancia, las restantes establecen la diferencia entre cada método.
La información básica del método está constituida por los datos de entrada, gracia a ellas se puede llegar a la dosificación esperada.
Los Datos de entrada son:
- Lugar de la obra, o condiciones ambientales.
- Tipo de obra, o parte de la estructura.
- Tipo de agregados y tipo de cemento.
- Resistencia de diseño o algún dato relacionado.
El asentamiento es considerado en algunos métodos como dato de entrada, mientras que en otro se selecciona de alguna tabla, con relación al tipo de elemento estructural al que se destine la mezcla próxima a diseñar.
Valores usuales de asentamiento
Ley de Abrams
Esta ley establece la relación entre la resistencia del concreto y la relación agua/cemento.
= a/c
donde a es la cantidad de agua en litro o en Kg, y c la dosis de cemento en Kg.
Una forma de representar la Ley de Abrams es:
R = M / N
Donde R es la resistencia media, M y N son constantes que dependen de las características de los materiales, edad del ensayo y la forma de llevarlo a cabo.
Relación Triangular
Es la unión que relaciona la trabajabilidad, medida con el Cono de Abrams, la relación agua/cemento y dosis de cemento.
Esta ley no se utiliza en otros métodos de diseño de mezcla conocido.
En el siguiente gráfico se presenta en forma esquematizada un resumen de los pasos necesarios para elaborar un diseño de mezcla
Aire Atrapado
A pesar de que el concreto tenga una compactación de primera por efecto de vibración, siempre queda una pequeña cantidad de aire, representado por la letra V.
V = C/P en litros/m,
C es la dosis de cemento y P el tamaño máximo.
Volumen Absoluto de los granos de Cemento
Se optiene al dividir la dosis de cemento entre su peso específico.
Se representa con la letra a.
a = C. en Kg./m
Volumen Absoluto de los Agregados.
Resulta al dividir la dosis de cada uno entre su peso específico en su estado de agregado saturado con superficie seca.
Se simboliza como agregado grueso y para el fino.
Ecuación de volumen y calculo de la dosis de agregados.
G + A + 0.3C + a + V = 1000
g+a
= Se refiere a los agregados finos y grueso con granulometría definida, para calcular los pesos de cada uno de los agregados, se despeja G + A y se combina con la expresión de la relación.
A
G + A
Por medio de esta formula es posible calcular los pesos de cada agregado, con este calculo culmina el diseño.
Diseños Inversos
Son los diseños que se desarrollan en forma contraria a los comunes, el más usual es el de averiguar que resistencia se podrá obtener con materiales determinados con cierto asentamiento y una dosis de cemento donde solo es necesario usar la parte superior del esquema.
Las variables que intervienen en los diseños de mezcla no tienen gran precisión ni teórica ni práctica, por ello solo deben tomarce en cuenta tres o cuatro cifras significativas.
Existen otras variables que influyen en el diseño de mezcla, calidad del cemento y aditivos reductores del agua.
Corrección por humedad
El método de diseño expuesto ha considerado la humedad de los agregados como condición ideal de saturados con superficie seca, en la que el material ni sede ni toma agua de la mezcla.
Los agregados pueden estar en cualquier condición de humedad lo que afecta la cantidad de agua que se debe usar, con el fin de mantener las proporciones reales del diseño.
A pesar de que el diseño de mezcla haya sido bien hecho las variables pueden desviar el resultado esperado, por lo que siempre se recurre a la mezcla de prueba, ya sea en laboratorio o en la obra.
EJEMPLOS DE DISEÑO DE MEZCLA
Diseño 1
Se requiere un concreto de alta resistencia para la pared de un depósito, de sección pequeña, bastante armada y, por todo ello, con dificultades de vibración.
Solución
- Este caso es típico para el empleo de aditivos superplastificantes de alto poder.
- Se utiliza una elevada dosis de cemento, tal como 12 sacos de cemento por metro cúbico, con un aditivo que tenga una capacidad de reducción de agua del 35%, y yendo al máximo al asentamiento que es de 20 cm, y sin tomar en cuenta los factores de corrección, se tendría:
C = 12 (42.5) = 510 Kg./m.
= 0.466.
f = 1.538.
= 0.303.
R28 = 46.0 Mpa.
- Un concreto totalmente autonivelante exigiría una fluidez mayor que la propuesta con 20 cm de asentamiento, y por tanto tendría resistencias menores. Su consideración cae fuera del propósito de este método de diseño de mezcla.
Diseño 2.
Se pretende definir un concreto para prefabricados, en mezcla seca que se compactará con alta energía de vibración. Dosis de cemento de 12 sacos por metro cúbico. Se dispone de piedra picada con tamaño máximo de ¾ pulgada, y una arena natural sin ultrafinos. Calcular la resistencia que se pudiera lograr.
Solución
- Para calcular , por la formula o por el gráfico, vamos a necesitar el dato del cemento, por lo cual empezaremos por calcularlo.
C = 12 (42.5)/1.05 = 486 Kg./m.
- El valor mínimo de asentamiento para el cual siguen siendo válidas las constantes de la relación triangular (y eso con reservas), es cuando T = 1 cm.
- Entonces, el valor de
= (117,2(1) ) = 0.335
486
- Esta habrá que descorregirla para poder entrar a la Ley de Abrams.
= 0.335/1.05 = 0.319
R = 44.4 Mpa (453 Kg./cm ).
- Con asentamientos nulos es evidente que se podría obtener resistencias más altas, pero su estudio queda fuera de propósito de este método de diseño de mezcla.
- Mediante de aditivos superplastificantes de alto rango también sería posible obtener resistencias más altas, pero dado que trabajan con alto nivel de asentamiento y grado de fluidez, no sería factible obtener suficientes rigideces a muy corto plazo, capaces de permitir un rápido de desencofrado para el reuso intensivo de los moldes
EL CONTROL COMO FACTOR DE SELECCIÓN
TRABAJABILIDAD
Claramente un concreto apropiadamente diseñado debe permitir ser colocado y compactado apropiadamente con el equipamiento disponible. El acabado que permite el concreto debe ser el requerido y la segregación y sangrado deben ser minimizados. Como regla general el concreto debe ser suministrado con la trabajabilidad mínima que permita una adecuada colocación. La cantidad de agua requerida por trabajabilidad dependerá principalmente de las
Características de los agregados en lugar de las características del cemento. Cuando la trabajabilidad debe ser mejorada, el rediseño de la mezcla debe consistir en incrementar la cantidad de mortero en lugar de incrementar simplemente el agua y los finos (cemento). Debido a esto es esencial una cooperación entre el diseñador y el constructor para asegurar una buena mezcla de concreto. En algunos casos una menos mezcla económica podría ser la mejor solución. Y se deben prestar oídos sordos al frecuente pedido, en obra, de “más agua”.
RESISTENCIA Y DURABILIDAD
En general las especificaciones del concreto requerirán una resistencia mínima a compresión. Estas especificaciones también podrían imponer limitaciones en la máxima relación agua/cemento (a/c) y el contenido mínimo de cemento. Es importante asegurar que estos requisitos no sean mutuamente incompatibles.
Como veremos en otros capítulos, no necesariamente la resistencia a compresión a 28 días será la más importante, debido a esto la resistencia a otras edades podría controlar el diseño.
Las especificaciones también podrían requerir que el concreto cumpla ciertos requisitos de durabilidad, tales como resistencia al congelamiento y deshielo o ataque químico.
Estas consideraciones podrían establecer limitaciones adicionales en la relación agua cemento (a/c), el contenido de cemento y en adición podría requerir el uso de aditivos.
Entonces, el proceso de diseño de mezcla, envuelve cumplir con todos los requisitos antes vistos. Asimismo debido a que no todos los requerimientos pueden ser optimizados simultáneamente, es necesario compensar unos con otros; (por ejemplo puede ser mejor emplear una dosificación que para determinada cantidad de cemento no tiene la mayor resistencia a compresión pero que tiene una mayor trabajabilidad). Finalmente debe ser recordado que incluso la mezcla perfecta no producirá un concreto apropiado si no se lleva a cabo procedimientos apropiados de colocación, acabado y curado.
RESISTENCIA MECÁNICA DEL CONCRETO Y RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Desde el momento en que los granos del cemento inician su proceso de hidratación comienzan las reacciones de endurecimiento, que se manifiestan inicialmente con el “atiesamiento” del fraguado y continúan luego con una evidente ganancia de resistencias, al principio de forma rápida y disminuyendo la velocidad a medida que transcurre el tiempo.
En la mayoría de los países la edad normativa en la que se mide la resistencia mecánica del concreto es la de 28 días, aunque hay una tendencia para llevar esa fecha a los 7 días. Es frecuente determinar la resistencia mecánica en periodos de tiempo distinto a los de 28 días, pero suele ser con propósitos meramente informativos. Las edades más usuales en tales casos pueden ser 1, 3, 7, 14, 90 y 360 días. En algunas ocasiones y de acuerdo a las características de la obra, esa determinación no es solo informativa, si no normativa, fijado así en las condiciones contractuales.
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