UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL MANUAL DE AGREGADOS PARA EL HORMIGON SEGUNDA EDICION Orlando Giraldo Bolívar I.C. Profesor Asociado Medellín 2003

2 INDICE 1 GENERALIDADES 1.1 Definiciones 1.2 Importancia en el hormigón 1.3 Clasificación Método de Extracción Densidad Tamaño de las partículas Según su forma Según su textura Explotación industrial 2 PROPIEDADES QUIMICAS Y MECANICAS 2.1 Propiedades Químicas Reacción álcali-agregado 2.2 Propiedades mecánicas Resistencia Tenacidad Adherencia Dureza 3 PROPIEDADES FISICAS 3.1 Impurezas Ensayo de impurezas orgánicas Ensayo de porcentaje de lodos 3.2 Distribución granulométrica 3.3 Densidad, Gravedad especifica y % de absorción 3.4 Masas Unitarias y % de vacíos entre partículas 3.5 Humedad superficial en agregados

3 1 GENERALIDADES 1.1 Definiciones Los agregados, también llamados áridos, son materiales de forma granular de origen natural o artificial ( los mas frecuentes son los de origen pétreo aunque algunos materiales sintéticos como las escorias granuladas, limaduras metálicas, poliuretanos se han usado eficientemente ) que constituyen entre el 65 y el 85 % del volumen total del hormigón y que aglomerados por el cementante, conforman el esqueleto pétreo o granular del hormigón. Su estudio esta mas que justificado porque de sus propiedades dependen las que tienen que ver con la resistencia, rigidez y durabilidad del hormigón. Como agregados para hormigón se pueden considerar todos aquellos materiales que teniendo una alta resistencia mecánica, no alteran ni afectan las propiedades y características del hormigón y garantizan una adherencia suficiente con la pasta endurecida de cementante. En general, la mayoría de los agregados no desarrollan ningún tipo de reacciones con los otros constituyentes del hormigón, especialmente con el cementante; sin embargo, hay algunos tales como: las escorias de alto horno, los materiales de origen volcánico con sílice activa, y el ladrillo triturado cuya fracción más fina presenta actividad en virtud de sus propiedades hidráulicas, que interfieren el desarrollo temporal de la resistencia mecánica, característica fundamental del hormigón endurecido. 1.2 Importancia en el hormigón Son varias las razones por las cuales los agregados deben estar presentes en una mezcla de hormigón: economía, manejabilidad, durabilidad, resistencia, densidad, acabado.

4 a) Economía: porque en un determinado volumen de mezcla parte del cementante se reemplaza por agregados los cuáles tienen por lo general un menor costo que el cemento calcáreo. b) Manejabilidad: cuando la mezcla se encuentra en estado plástico las proporciones del agregado dentro de la misma juegan un papel importante en cuanto a la facilidad de colocación y compactación especialmente la fracción más fina, la cual en combinación con la pasta cementante actúa como lubricante de las partículas más gruesas y permiten lograr la manejabilidad requerida. c) Control de cambios volumétricos: durante el proceso de fraguado del hormigón, al pasar la mezcla del estado plástico al estado endurecido, la pasta cementante se contrae debido a la pérdida de humedad, lo cual trae como consecuencia la presencia de fisuras. Este efecto es controlado por los agregados, ya que la textura superficial de estos al mezclarse con la pasta genera una superficie de adherencia que disminuye la contracción. d) Resistencia estructural: cuando el hormigón se encuentra en el estado endurecido y ha adquirido su resistencia mecánica, esta se debe a la capacidad aglutinante de la pasta de cemento, que en combinación con los agregados forma el sólido. Parte de esta resistencia es aportada por el agregado, el cuál tienen su propia capacidad mecánica, tabla1.1. e) Densidad: la densidad del hormigón depende prácticamente de la densidad de los agregados que lo constituyen ( ver tabla 1.2 ). Ya que la densidad de estos últimos depende del tipo de roca de donde provienen y de su grado de porosidad interior y exterior es importante considerar varias definiciones relativas a esta propiedad que tienen en cuenta estas características particulares.

5 Tabla 1.1. Propiedades del agregado y resistencia del hormigón (2) PROPIEDADES DEL EFECTOS RELATIVOS DE LAS PROPIEDADES DEL AGREGADO.( % ) HORMIGON FORMA TEXTURA SUPERFICIAL MODULO DE ELASTICIDAD Resistencia a la flexión Resistencia a la compresión NOTA: Los valores representan la relación de la variación debida a cada una de las propiedades, respecto a la variación total tomada en cuenta para las tres características del agregado en la prueba de tres mezclas hechas con trece agregados. Densidad real ( Absoluta ) : Es la relación entre la masa del material y el volumen que ocupa excluyendo todos los poros (saturables y no saturables). Densidad aparente: Es la relación entre la masa del material y el volumen que ocupa incluyendo solo los poros saturables ( superficiales ). Densidad en bruto: Es la relación entre la masa del material y el volumen que ocupa incluyendo todos los poros (saturables y no saturables). Esta es la que se usa para determinar la cantidad de agregado requerido para un volumen unitario de hormigón. e) Durabilidad: De igual manera que el hormigón puede soportar condiciones extremas de exposición, los agregados como constituyentes de él, contribuyen a lo mismo, teniendo como función transferir sus propiedades de resistencia a exposición severa a la masa de hormigón. f) Acabado: Los agregados permiten un acabado en la superficie acorde con la textura deseada, lo cual cobra mucha importancia en la elaboración de los hormigones arquitectónicos y hormigones de agregado expuesto en los cuales incide la forma, textura, color y tamaño de los agregados.

6 Tabla 1.2. Densidad en bruto de diversos tipos de rocas (2). NOMBRE Densidad promedio, Mg/m 3. Rango de variación, Mg/m 3. Basalto Pedernal Granito Arenisca Hornblenda Caliza Porfido Cuarzita Clasificación Método de Extracción Agregados naturales: Son los agregados que provienen de la explotación de fuentes naturales tales como depósitos fluviales (arenas y gravas de ríos) o de glaciales y de canteras de diversas rocas. Se pueden aprovechar en su gradación natural o triturándolos mecánicamente, según sea el caso, de acuerdo con las especificaciones requeridas, dependiendo del tipo de hormigón que se desea fabricar. (7) Agregados artificiales: Estos agregados se obtienen a partir de productos y procesos industriales tales como escorias de alto horno, clinker, limaduras de hierro, cenizas del carbón, aserrín y viruta, poliuretanos Densidad Los agregados se clasifican según su densidad en pesados, livianos y normales. Los agregados pesados tiene una densidad entre 2,9 y 6.0 Mg / m 3 y generalmente están compuestos de minerales de hierro ( Magnetita, pirita,

7 ilmenita ); los livianos son de origen volcánico y tienen densidades entre 0.2 y 1.6 Mg / m 3 ( arcilla expansiva, pumicita, esquistos); los normales provienen de las rocas superficiales y tienen densidades entre 2.4 y 2.8 Mg / m 3 ( cuarzos, calizas, granitos ). En el estudio de los morteros y hormigones de cemento calcáreo es frecuente utilizar los agregados pétreos de origen superficial sean estos provenientes de fuentes aluviales o de plantas de trituración. Según la densidad del agregado los hormigones se clasifican en livianos, pesados y normales, siendo estos últimos los de uso continuo Tamaño de las partículas La forma más generalizada de clasificar los agregados es según su tamaño, el cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros en su sección transversal. Esta distribución de tamaños se conoce como distribución granulométrica y es la base de la fabricación de morteros y hormigones. La clasificación más común es la que se muestra en la tabla 1.3, donde se indican los nombres más usuales de las fracciones y su utilización como agregados para hormigón. Tabla 1.3. Clasificación general del agregado según su tamaño. TAMAÑO DE LAS DENOMINACION CLASIFICACION UTILIZACION DEL AGREGADO EN EL HORMIGON PARTICULAS, mm Inferior a mm Arcilla Fracción muy fina No recomendable mm mm Limo Fracción muy fina Recomendable hasta un % definido mm mm Arenas Agregado fino Material apto para hormigones y morteros 4.76 mm mm Grava ¾" Agregado grueso Material para hormigón armado y pretensado 19.1 mm mm Grava 2" Agregado grueso Material para hormigón armado en cimentaciones Superior a 50.8 mm Piedra Agregado grueso Material para hormigón sin refuerzo

8 1.3.4 Según su forma Los agregados procedentes de rocas naturales, sometidos a un proceso de trituración y clasificación tienen formas que varían desde cúbicas o poliédricas a las esquirlas alargadas o laminares aplanadas, o las de forma de cascos. Mientras los agregados de río o depósitos aluviales tienen formas redondeadas o aplanadas. Tabla 1.4. Clasificación de los agregados según su forma (2). CLASIFICACION DESCRIPCION EJEMPLO Redondeadas. Totalmente desgastadas por el agua o Gravas de río o de playa, arenas completamente formadas por fricción del desierto Irregular Escamosa Angular Alargada Escamosa y alargada Irregulares por naturaleza parcialmente formadas por fricción o con bordes redondeados. Materiales cuyo espesor es pequeño en comparación con sus otras dos dimensiones. Con bordes bien definidos, formados en las intersecciones de caras aproximadamente planas. Material que suele ser angular, cuya longitud es bastante mayor que las otras dos dimensiones. Material cuya longitud es bastante mayor que el ancho y el ancho bastante mayor que el espesor. Otras gravas; pizarra de superficie o subterránea. Roca laminada. Rocas trituradas de todo tipo y escoria triturada. Se encuentra en algunos depósitos naturales en forma de lajas. Agregados de rocas meteorizadas Según su textura La textura es el estado de pulimento o degradación en que se encuentra la superficie del material. Incide notablemente en las propiedades del hormigón especialmente en la adherencia entre las partículas del agregado y la pasta de

9 cemento además de influir en las condiciones de fluidez mientras la mezcla se encuentra en estado plástico. Tabla 1.5 Textura superficial de los agregados (2) GRUPO TEXTURA SUPERFICIAL CARACTERISTICAS 1 Vítrea Fractura concoidal 2 Lisa Desgastada por el agua o lisa debido a fractura de roca laminada o de grano fino. 3 Granular Fractura que muestra granos mas o menos redondeados en forma uniforme. 4 Aspera Fractura áspera de granos finos o medianos que contengan parte cristalinas difíciles de detectar. 5 Cristalina Con partes cristalinas fáciles de detectar. 6 En forma de panal Con cavidades y poros visibles Explotación industrial FIGURA 1.1 Lago de explotación agregados de origen aluvial

10 FIGURA 1.2 Acarreo del agregado en la planta Mediante bandas transportadoras se realiza la operación de transporte y clasificación del material en la planta FIGURA 1.3 Clasificación del agregado.

11 El agregado es sometido a un proceso de trituración y clasificación para su distribución a los centros de dosificación del hormigón FIGURA 1.4 Planta de trituración y clasificación FIGURA 1. 5 Proceso de explotación del agregado de cantera

12 2 PROPIEDADES QUIMICAS Y MECANICAS 2.1 Propiedades Químicas Reacción álcali-agregado Esta es la reacción destructiva más común entre el agregado y la pasta de cemento y se debe a la activación retardada de la sílice amorfa presente en algunas variedades de agregados con los componentes alcalinos de la pasta de cemento. La reacción comienza con el ataque de los hidróxidos alcalinos derivados de los álcalis (Na2O y K2O) del cemento contra los minerales síliceos del agregado. Esta reacción que es de tipo sólido-líquido produce un gel que aumenta de volumen a medida que absorbe agua, con lo cual aparecen presiones internas en el hormigón que conduce primero a la expansión, fisuración y finalmente ruptura de la pasta de cemento. Esta reacción se debe primordialmente a la alta concentración de iones de hidróxido en la solución de los poros. Tabla 2.1 Rocas potencialmente reactivas con los álcalis del cemento (4) GRUPO REACTIVO 1. Diversas rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas que contienen formas de sílice reactiva (vítrea, criptocristalina, microcristalina o cristalina intensamente deformada. 2. Algunas rocas sedimentarias carbonatadas, que contienen dolomita y minerales arcillosos. 3. Ciertas rocas metamórficas que contienen filos silicatos, de estructura foliada-reticular. TIPO REACCION Álcali-sílice Álcali-carbonato. Álcali-silicato. En Colombia la reacción se ha detectado con algunos agregados calizos de la costa Atlántica ( Calcáreos) y en agregados siliceos del sureste del departamento de Antioquia, lo mismo que en el viejo Caldas. Aun falta investigar mas para zonificar fuentes potencialmente reactivas.

13 2.2 Propiedades mecánicas Resistencia Por lo general en los agregados las partículas tienen una resistencia superior a la de la pasta de cemento, por lo que la resistencia del hormigón no se ve muy afectada por la resistencia del agregado; sin embargo la resistencia del agregado cobra importancia cuando este falla antes que la pasta de cemento endurecida, bien sea por que se tiene una estructura pobre entre los granos que constituyen las partículas durante el proceso de explotación o por un inadecuado proceso de trituración cuando se trata de conseguir una determinada granulometría. Tabla 2.2 Resistencia a compresión de rocas utilizadas comúnmente como agregados para hormigón (2) TIPO DE ROCA NUMERO DE RESISTENCIA A LA COMPRESION ( PROMEDIO**) MUESTRAS* Kgf/cm 2 MPa Granito Felsita Trapa Caliza Arenisca Mármol Cuarzita Gneis Esquisto * Para la mayoría de las muestras la resistencia a la compresión se promedia entre 3 y 15 muestras. ** Promedio de todas las muestras.

14 2.2.2 Tenacidad Llamada también resistencia a la falla por impacto la cual tiene mucho que ver con el manejo de los agregados en la planta, ya que si estos son débiles ante las cargas de impacto que se generan durante su transporte y disposición se puede alterar su granulometría, a parte de indicar una baja resistencia para ser utilizadas en hormigón Adherencia La adherencia se debe a fuerzas de origen físico-químico que ligan las partículas del agregado con la pasta de cemento. La adherencia juega un papel muy importante dentro de la masa de hormigón, debido a que cuando esta interacción es lograda a través de una buena traba entre los agregados y la pasta de cemento la resistencia del hormigón es mayor Dureza Cuando el hormigón va a estar sometido a desgaste por abrasión (pisos y carreteras), los agregados que se utilicen en su fabricación deben ser duros. La dureza es una propiedad que depende de la constitución mineralógica, la estructura y la procedencia de los agregados.

15 3 PROPIEDADES FISICAS DE LOS AGREGADOS 3.1 IMPUREZAS Son todas aquellas partículas, presentes en el agregado, que modifican el proceso de hidratación del cemento ya sea retardando o acelerando el fraguado y la ganancia de resistencia con el tiempo, o lo que es más grave inhibiendo estos procesos. En general se pueden encontrar los siguientes tipos de impurezas: De origen Orgánico: con esta denominación se conocen todos aquellos contaminantes presentes en el agregado y que provienen de la descomposición de material vegetal como por ejemplo, hojas, tallos y raíces; las cuáles se manifiestan en forma de humus (capa superior del suelo rica en materia orgánica). Estas partículas interfieren con las reacciones químicas de hidratación retardando el fraguado y en algunos casos inhibiéndolo. Hay más probabilidad de encontrar este tipo de impurezas en la arena que en la grava la cual se lava fácilmente. Finamente divididas ( lodos ): con esta denominación se definen tres tipos de impurezas: a) arcillas, b) limos y c) material fino de trituración. Aglutinante Recubrimiento de arcilla Agregado FIGURA 3.1 Recubrimiento superficial en agregados.

16 a) Las arcillas son materiales que proviene de la meteorización de rocas alcanzando tamaños menores de 20µ. Presenta efectos perjudiciales en el hormigón por que impide los enlaces entre la pasta de cemento y los agregados. La arcilla se puede presentar en los agregados en forma de recubrimiento superficial reduciendo así la resistencia y durabilidad del hormigón; por otra parte, si se trata de una arcilla expansiva se puede generar un problema adicional cuando el hormigón se humedece y las partículas de arcilla se expanden generando tensiones de tracción dentro de la masa de hormigón endurecido, que pueden conducir a fallas según sea el contenido es estas partículas. b) Los limos son materiales con tamaño entre 20µm y 60µm que han sido reducidos a este tamaño por procesos naturales de intemperismo. c) Los finos de trituración son materiales que se desprenden de la roca durante el proceso de transformación de la piedra natural en gravas o arenas. Si los limos y polvos de trituración se encuentran en alta proporción en los agregados el requerimiento de agua aumenta y por lo tanto el contenido de cemento para una misma relación agua/cemento debido a su mayor finura. TABLA 3.1. Rangos de los tamaños de impurezas finamente divididas. NOMBRE Arcilla Limo Finos de trituración TAMAÑO < 20µ 20µ a 75µ >75µ EFECTO Afecta la adherencia A mayor presencia se aumenta la cantidad de agua requerida. Grumos o terrones de arcilla. Son partículas que no pueden mantener su integridad cuando se someten a una ligera presión de contacto entre ellas están los terrones de arcilla y algunas inclusiones blandas como son la madera y el carbón; los cuales si se encuentran presentes en grandes cantidades pueden afectar adversamente la resistencia del hormigón ya que a mayor cantidad de material fino aumenta la cantidad de agua absorbida, disminuyendo la resistencia.

17 Partículas reactivas. Son impurezas reactivas las piritas de hierro y las marcasitas, las cuales representan las inclusiones expansivas más frecuentes en el agregado. Estos sulfuros reaccionan con el agua y el oxígeno del aire para formar sulfato ferroso, que posteriormente se descompone para formar el hidróxido, mientras los iones de sulfato reaccionan con los aluminatos de calcio del cemento. Lo cual puede dar como resultado manchas en el hormigón y rotura de la pasta de cemento. Partículas livianas. Dentro de los materiales livianos se considera el carbón finamente dividido, la mica y otros materiales de baja densidad. Si el agregado contiene carbón en grandes cantidades y en forma finamente dividida se puede alterar el proceso de endurecimiento de la pasta de cemento. Se debe evitar la presencia de mica en el agregado fino ya que esta aumenta la cantidad de agua requerida y en consecuencia disminuye la resistencia del hormigón Ensayo de impurezas orgánicas NTC-127 ( ASTM C-40 ) Con este ensayo se determina en forma aproximada ( mediante examen visual ) la presencia de material orgánico en arenas usadas para la preparación de morteros y hormigones. El ensayo consiste en detectar la presencia del ácido tanino ( proveniente de la descomposición del material orgánico ) atacando el agregado con una solución de baja concentración de hidróxido de sodio ( NaOH). Esta prueba se conoce también como el ensayo de neutralización porque realmente lo que se hace es neutralizar el ácido con una sal. Para el ensayo se utiliza un frasco graduado de vidrio o plástico con capacidad de 350 ml. El frasco se llena con el agregado hasta un nivel de 120ml, luego se añade al frasco la solución de hidróxido de sodio previamente preparada con una concentración del 3% ( generalmente se preparan 150 ml de solución que

18 representan ml de agua destilada y 4.5 g de Na(OH)) hasta que el nivel de la solución llega a 200 ml. Se tapa el frasco se agita vigorosamente para permitir que la solución entre en contacto con todo el material y se deja en reposo por 24 horas. Al final de este periodo de tiempo se observa la tonalidad de la solución alcalina y se concluye su grado de contaminación Se forma una pila con el agregado 2. Se forma una superficie circular, se divide en cuatro porciones y se toman para el ensayo las porciones 1 y 4 ó 2 y 3. FIGURA 3.2 Cuarteo manual Cálculos y resultados. En este ensayo no se realizan cálculos, sólo se observa la coloración de la solución al final del periodo de reacción. Análisis de resultados: Para el análisis de los resultados se tiene la tabla 3.2 en la cual se considera que el contenido de materia orgánica no es perjudicial si el ensayo da un índice de color de 3 o inferior en el número de referencia. Si se obtiene un valor por encima de 3 no indica necesariamente que el agregado contenga materia orgánica, por lo cual se debe realizar otro ensayo complementario con la muestra de acuerdo a la NTC-579, Efecto de las impurezas orgánicas del agregado fino sobre la resistencia de morteros y hormigones.

19 TABLA 3.2. Valores de contenido de materia orgánica en el agregado fino COLOR Igual de la solución. Amarillo Naranja. Rojo claro Rojo oscuro NUMERO DEL COLOR NUMERO DE NORMAL DE GARDNER REFERENCIA ORGANICA DESCRIPCION Material que se puede usar de alta resistencia. Material que se puede usar un hormigón de resistencia normal. Material que no se recomienda en hormigón estructural. Material que se debe descartar o evaluar según NTC-579. Ejemplo. Una muestra de agregado es sometida al ensayo de impurezas orgánicas NTC-127, analizar resultados y dar recomendaciones Materiales. Arena: 1000 g Agua destilada: ml Soda cáustica: 4.5 g Datos: Comparación a 24 h: Color naranja, Nº3 Gardner # 11 Análisis de resultados. Para la muestra de arena ensayada se obtiene un color naranja cuyo número de referencia orgánica es 3 y color normal Gardner 11. Según el número de referencia hallado se puede indicar que la cantidad de impureza orgánica presente no es perjudicial para el hormigón en el que se emplee dicha arena, siempre y cuando no se le exija altas resistencias mecánicas ( f'c > 28 MPa ). Conclusión: La cantidad presente de impureza orgánica en el agregado fino (arena) no perjudicará las reacciones químicas de hidratación en la mezcla de hormigón.

20 3.1.4 Ensayo de porcentaje de lodos NTC-78 ( ASTM C-117) En esta prueba se determina el porcentaje de material que pasa el tamiz NTC 74µ en agregados para hormigón por el método del lavado. Durante el ensayo las partículas finas tales como: arcillas, agregados finos y materiales solubles en el agua, " se separan " de la superficie del agregado, por lavado, y luego estas se pasan el tamiz NTC 74µ (Nº 200) mm 74 µ FIGURA 3.3 Tamices utilizados en el ensayo de porcentaje de lodos Preparación de la muestra. Debe ser reducida por cuarteo hasta obtener una cantidad adecuada para el ensayo (según tabla 4.3 de acuerdo al tamaño máximo en el agregado). El agregado debe ser humedecido y mezclado para producir la mínima segregación y pérdida de finos. El peso de la muestra después del secado debe cumplir con lo especificado en la tabla 4.3. TABLA 3.3 Cantidad mínima de agregado según su tamaño máximo TAMAÑO MAXIMO, mm MASA MINIMA, g >

21 Cálculos y resultados. (Mi - M s) % Absorción = *100 M s Donde, Mi = Masa inicial de la muestra seca, g Ms = Masa de la muestra seca después de lavada, g Análisis de resultados. El porcentaje de lodos presente en arenas para fabricación de hormigón no debe exceder los valores dados en la tabla 3.4 Tabla 3.4. Contenido máximo de partículas de diámetro inferior a 74µ (1) TIPO DE HORMIGON % MAXIMO DE LA MASA TOTAL DE LA MUESTRA PARA AGREGADOS FINOS NATURAL MANUFACTURADO Hormigón de alta resistencia o sometido al desgaste 3% 5% Hormigón normal 5% 7% NOTA: En el caso de material manufacturado, se permiten estos límites siempre y cuando el polvo proceda del proceso de trituración y se encuentre libre de arcilla o pizarra. Ejemplo:. Determinación del % de lodos de una muestra de agregado fino Datos: Mi = 500 g Ms = 494 g Cálculos y resultados. ( ) % Lodos = *100 = 1.20% 500 Análisis de resultados: Según la tabla 3.4 se puede concluir que el % de lodos hallado cumple con el rango especificado por la NTC-174, indicando que es menor del 5%.

22 3.2 Distribución granulométrica Teoría general El análisis granulométrico se define como el proceso de clasificación por tamaños de una muestra de material utilizando para ello series de tamices estándar que siguen un determinado patrón de formación. La serie mas conocida en nuestro medio es la que ordena las mallas en forma de progresión geométrica cuya razón es dos. Esta serie conocida como serie de Abrams o de la ASTM parte de un tamaño inicial de agregado do = 3 / 1024 ( mm ) y se prolonga hasta las 6 ( 76 mm ). La expresión 3.1 indica el enésimo termino de una progresión geométrica de razón r y la tabla 3.1 muestra igualmente los tamices generados con la expresión 3.1 y la designación de cada uno con el criterio de numero de aberturas por pulgada lineal. n n dn = do. r = El n es la posición del tamaño de la abertura en la serie, por ejemplo el quinto tamaño es la malla de abertura: x 2 5 = 2.38 mm. El valor de n también representa el modulo de finura del agregado y en el ejemplo anterior el material de 2.38 mm tiene un modulo de finura igual a 5. En la literatura técnica existen igualmente otras series granulométricas importantes para la clasificación por tamaños de los agregados en el hormigón; la serie Francesa Renard utiliza una razón igual al producto de [(10) 0.1 x (10) 0.1 ] = 1.58 y la serie Británica cuya razón es (2 ) 0.25 = 1.19 la cual da mas cantidad de tamaños que las dos anteriores. En principio la primera clasificación por tamaño de un agregado para el hormigón es la que lo divide solo en dos fracciones: una fina llamada arena que por definición se define como todos los tamaños de agregado que sean menores que 3 / 16 ( 4.76 mm ) y una fracción gruesa llamada grava que contiene todos los tamaños superiores a este valor. Se reconoce además que

23 esta primera clasificación no es suficiente para identificar la composición de un agregado para el hormigón y es necesario conocer mas sobre el material. La serie ASTM para los agregados finos permite obtener una buena estimación de la composición por tamaños del material mientras que una modificación de la serie ASTM para los agregados gruesos es mas conveniente ( incluyendo tamaños intermedios) para lograr los mismos propósitos. Tabla 3.5 Tamaños y designación de tamices ASTM ( ICONTEC ) Posición Abertura (pulg. ) Abertura ( mm) Designación tamiz Modulo de finura 0 3 / # / # / # / # / # / # / # / / / / / Entre el tamaño 6 y 7 se define un valor intermedio y es el tamiz de ¼ = 6.35 mm; entre el tamaño 7 y 8 se define el tamiz de ½ = 12.7 mm; entre el tamaño 8 y 9 se define el tamiz 1 = 25.4 mm y entre el 9 y 10 se define el 2 = 50.8 mm. estos valores intermedios no pertenecen a la serie original pero son importantes para conocer mas datos de los tamaños gruesos del material. La mejor manera de representar el estudio granulométrico de un agregado es mediante la utilización de gráficos en los cuales las abscisas representan los

24 tamaños del grano o los tamices y las ordenadas los porcentajes retenidos acumulados o pasantes de cada fracción del material. % retenido acumulado 100 Arenas Gravas Tamaño (mm) Figura 3.4 Curvas granulométricas de agregados El estudio y análisis de las graficas representadas en la figura 3.1 permite visualizar en forma mas clara si la distribución de tamaños de las partículas se ajusta a las especificaciones respectivas, si hay demasiados finos o gruesos y también si hay deficiencias de ciertos tamaños. A partir del análisis granulométrico se pueden determinar también varios parámetros importantes para el estudio de las mezclas de morteros y hormigones, estos son: los tamaños máximos absolutos y nomínales y los módulos de finura del material. Modulo de finura de un agregado: Este termino es mas utilizado para los agregados finos que los gruesos y se define como el área bajo la curva granulométrica de los % retenidos acumulados desde el tamiz # 100 hasta el mayor de la serie ASTM. Su determinación numérica es sencilla porque equivale a determinar la suma de los % retenidos acumulados en cada tamiz y el resultado se debe dividir por 100. El índice así obtenido

25 da una idea del tamaño promedio de las partículas del material. Un valor alto indica que el material es grueso y le faltan finos y viceversa. Para un agregado fino el valor esta entre 1 y 6 mientras que para un agregado grueso entre 6 y 10. MF = n % 100 ret. acumul. 100 Tamaño máximo absoluto y nominal: Se definen como aquellos tamaños equivalentes a los tamices que dejan pasar el 100% del material y hasta el 95 % respectivamente. Tamaño mínimo absoluto y nominal: Se definen como aquellos tamaños equivalentes a los tamices que retienen el 100 % y hasta el 95 % del material respectivamente. El principal factor, ligado a la granulometría de un agregado, y que afecta el comportamiento de las mezclas de morteros y hormigones es la superficie especifica. A menor tamaño mayor superficie del material y mayor es el requerimiento de agua para lograr la trabajabilidad adecuada en obra y esto representara mayor exudación y menor resistencia. La forma y la textura del material también afectan el comportamiento de las mezclas en lo que se refiere a la adherencia y la trabajabilidad del hormigón. Se ha tenido buen comportamiento con arenas de tamaño medio ( 2.5 < MF < 3.5 ) y gravas con tamaños máximos entre 3 / 4 y 1.5. Estos son los materiales preferidos en la practica del hormigón. La resistencia de un mortero o un hormigón aumenta si los agregados finos tienen altos módulos de finura entre > 3.0 y el mayor tamaño máximo disponible de las gravas. Sin embargo en estos casos la falta de finos afecta la trabajabilidad y el terminado de las mezclas por lo que es importante considerar distribuciones granulométricas ideales para lograr los máximos beneficios en las propiedades del hormigón. Con el avance de las investigaciones sobre mezclas de hormigón a principios del siglo XX, varios investigadores se dieron a la tarea de proponer

26 granulometrías ideales para los agregados en el hormigón. La curva de Fuller- Thompson, la de Weymouth, Bolomey, Joisel, Faury son ejemplos típicos de estos estudios. En la granulometría de Fuller - Thompson se considera que el mejor agregado para el hormigón es aquel cuya curva granulométrica se ajusta perfectamente a la siguiente ecuación: Y = 100 En donde: Y es el % acumulado que pasa la malla de abertura d. D es el tamaño máximo nominal del material. Por ejemplo para una mezcla de agregados con D = 38.mm se obtiene la siguiente granulometría ideal: d D d mm Y % Si se dibujan estos valores en una grafica variando el D se obtienen las diferentes granulometrías ideales según Fuller-Thompson. 100 % PASAN ACUM D = 3/8 D =½ D = ¾ D = 1 D = ABERTURA MALLA (mm) Figura 3.5 Granulometrías ideales según Fuller-Thompson

27 3.2.2 Determinación de la granulometría de un agregado NTC-77 Agregados Finos: se toma una muestra representativa de arena seca con masa igual a 1kg y se coloca sobre la serie de tamices ordenados de mayor a menor ( 4, 8, 16, 30, 50, 100 y fondo ). Se someten a un vibrado mecánico por 15 minutos para finalmente determinar la masa de cada fracción retenida en los tamices. El error de ensayo no debe superar el 0.5%. Tamiz # fondo Masa ( g ) M4 M8 M16 M30 M50 M100 Mf Agregados Gruesos: se toma una muestra representativa de grava seca con masa igual a 10 kg y se coloca sobre la serie de tamices ordenados de mayor a menor ( 3/2, 1, ¾, ½, 3/8, #4 y fondo ). Se someten a un vibrado manual o mecánico para finalmente determinar la masa de cada fracción retenida en los tamices. De la misma forma El error de ensayo no debe superar el 0.5%. tamiz ¾ ½ 3/8 #4 fondo Masa ( g ) M1.5 M1.0 M3/4 M1/2 M3/8 M4 Mf Cálculos Se prepara una tabla de cálculos para obtener así los % retenidos acumulados del material en cada una de las fracciones clasificadas. Se evalúa si los resultados se ajustan a la especificación de la norma NTC-174 sobre % óptimos en cada una de las mallas. Se determinan: el modulo de finura de la arena, el tamaño máximo y mínimo nominal de la grava y la superficie especifica del material considerando la forma de las partículas ( redondeadas si el material es de origen aluvial o angulares si proviene de plantas trituradoras ).

28 Tabla 3.6 Cálculos granulométricos para agregados finos Tamiz # Masa ret. % ret.indiv. % ret.acum. Especificación 4 M4 R 4 = ( M 4 /M t ) *100 R M8 R 8 = ( M 8 /M t ) *100 Σ R i (4-8) M16 R 16 = ( M 16 /M t ) *100 Σ R i (4-16) M30 R 30 = ( M 30 /M t ) *100 Σ R i (4-30) M50 R 50 = ( M 50 /M t ) *100 Σ R i (4-50) M100 R 100 = ( M 100 /M t ) *100 Σ R i ( 4-100) Fondo Mf R f = ( M f /M t ) *100 ΣMi = Mt Σ Ri = 100 Tabla 3.7 Cálculos granulométricos para agregados gruesos Tamiz Masa ret. % ret.indiv. % ret.acum. Especificación 1.5 M1.5 R 1.5 = ( M 1.5 /M t ) *100 R 1.5 Según tamaños 1.0 M1.0 R 1.0 = ( M 1.0 /M t ) *100 ΣR i ( ) ¾ M0.75 R 0.75 = ( M 0.75 /M t ) *100 ΣR i ( ) ½ M0.5 R 0.5 = ( M 0.5 /M t ) *100 Σ R i ( ) 3/8 M3/8 R 3/8 = ( M 3/8 /M t ) *100 Σ R i (1.5-3/8) #4 M4 R 4 = ( M 4 /M t ) *100 Σ R i ( 1.5-#4) Fondo Mf R f = ( M f /M t ) *100 Σ Mi = Mt Σ Ri = 100 Los cálculos restantes se explican mejor con el siguiente ejemplo: Ejemplo Los siguientes resultados representan el estudio granulométrico de dos agregados para la fabricación de hormigón. Estudiar sus características y definir sus diferentes propiedades respecto al tamaño de las partículas.

29 Tamiz # fondo Masa ( g ) tamiz ¾ ½ 3/8 #4 fondo Masa ( g ) El error obtenido en cada análisis es: En arenas: % error = [( ) / 1000] * 100 = 0.32%< 0.5% En gravas: % error = [ ( ) / 10000]* 100 = 0.43%< 0.5% Se concluye que el ensayo esta bien realizado. En caso contrario se recomienda repetir la prueba. Tamiz # Masa ret. % ret.indiv. % ret.acum. Especificación Fondo Σ Mi = 1003 Σ Ri = 100 Tamiz Masa ret. % ret.indiv. % ret.acum. NTC ¾ ½ / # Fondo Σ M i = Σ Ri = 100

30 Analizando los dos resultados se puede decir que los agregados se ajustan perfectamente a las especificaciones NTC-174 para ser utilizados en las mezclas de hormigón. Modulo de finura de la arena: MF = = Se concluye que el agregado es de tamaño medio con un valor de: 2.86 d n = = mm El agregado fino se dice que en promedio es de tamaño # 30. GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS % PASA ACUM TAMAÑO DE PARTICULAS EN mm Tamaño máximo y mínimo nominal de la grava: En este caso el tamiz que deja pasar mas del 95% del material es el de 1 = 25.4 mm el que retiene mas del 95% es el tamiz # 4 = 4.80 mm Superficie especifica de la arena: Considerando material de forma irregular : Para las arenas: Para las gravas: 7 S f = E. = 13 mm / mm 7 S. E. g = mm 8.63 misma forma en que se determina el de las arenas). 2 3 = 0.81 mm / ( el d n se obtiene de la

31 3.3 Densidad, Gravedad especifica y % de absorción Generalidades La determinación de las relaciones masa- volumen de un material representan uno de los factores principales en la dosificación de las mezclas de hormigón. En el caso de los agregados es importante considerar que debido a su constitución interna y externa el volumen de las partículas no es el de un sólido en el sentido estricto de la palabra ya que el material posee tanto vacíos interiores ( poros no saturables ) como vacíos exteriores ( poros saturables) como indica la gráfica 3.6., por lo tanto se habla de: densidad real, densidad aparente y densidad en bruto. La primera se refiere a la relación masa del sólido sobre volumen del sólido ( Ms / Vs ), la segunda a la masa del sólido sobre el volumen del sólido mas el de los poros saturables ( Ms / (Vs+Vp)) y la tercera se refiere a la masa del sólido sobre el volumen del sólido mas el de poros saturables mas el de poros no saturables ( Ms / ( Vs + Vp + Vi )). En la practica la más sencilla de estimar en el laboratorio utilizando los métodos convencionales de desplazamiento en líquidos es la densidad en bruto. Este ultimo valor no tiene mucha diferencia respecto a la densidad real del material porque en la mayoría de las piedras utilizadas como agregados el volumen de poros no supera el 3.5 %. Poros interiores: Vi Poros exteriores: Vp Sólido: Vs Figura 3.6 Constitución interna y externa de un agregado

32 Para la realización de los cálculos de las mezclas es de gran utilidad utilizar solo los valores numéricos de las densidades de los agregados para lo cual estas se dividen por la densidad del agua. Esta relación se conoce como densidad relativa o gravedad especifica o peso especifico. Gravedad Específica en bruto seca: Es la relación entre la densidad en bruto del material considerando la masa seca y la densidad del agua. Gravedad específica en bruto saturada: Es la relación entre la densidad en bruto del material, considerando la masa saturada superficialmente seca, y la densidad del agua. Porcentaje de absorción: Se define como la capacidad que tiene el agregado para almacenar agua en sus poros saturables y no saturables; también se define como la cantidad de agua absorbida por el agregado después de ser sumergida durante 24h en agua, expresada como un porcentaje del material seco Marco teórico La porosidad esta relacionada con la capacidad de absorción de agua de los agregados y varia de acuerdo con el tamaño de los poros, su continuidad y su volumen total. Para cuantificar la influencia de la porosidad dentro del agregado se mide su capacidad de absorción la cual tiene que ver con el estado en que se encuentra el material al momento de la medición. Experimentalmente se comprueba que un agregado puede estar en una de las siguientes condiciones de humedad: a) seco totalmente, b) saturado internamente y seco superficialmente, c) saturado tanto interna como externamente y d ) totalmente húmedo. En el primer caso la capacidad de absorción es máxima y su determinación indica la absorción total del material. En el segundo caso la absorción es superficial en el tercero no absorbe agua y en el cuarto aporta agua superficial. Una absorción total demasiado alta puede

33 ser indicio de un desempeño inadecuado del agregado en el hormigón principalmente cuando este se somete a c9clos de congelamiento y deshielo. El exceso de absorción en los agregados puede darse como una condición natural de las rocas que lo constituyen, o puede ser provocado por la presencia de partículas de inferior calidad o de materia contaminante Ensayos en gravas NTC-176 ( ASTM C-127 ) Preparación de la muestra. Se toman aproximadamente 5000 g del agregado por el método del cuarteo y se sumergen durante 24 horas en agua para llenar los poros del material. Se tamiza luego la muestra por la malla # 4 y se descarta el material pasante. El material retenido se seca superficialmente para quitar el exceso de agua por encima del de saturación. De este material se miden 3000 g siendo esta la masa saturada superficialmente seca ( Msss). Se determina luego la masa del material suspendido y sumergido en agua ( Msum), finalmente el material se lleva a un secado en horno a 105 o C hasta peso constante ( Ms). Cálculos. - Densidad en bruto seca: δ = s (M SSS M S - M SUM ) Donde, Ms = Masa seca en el aire, g Msss = Masa saturada superficialmente seca, g. MSUM = Masa sumergida, g. - Densidad en bruto saturada superficialmente seca: δ sss = (M SSS M SSS M SUM ) - Densidad aparente seca:

34 δ s MS = (M M S SUM ) - Densidad aparente saturada: δ = MSSS sss (M - M S SUM ) - Porcentaje de absorción. % Absorción. % Absorción ( M = SSS M S MS) *100 Ejemplo Determinar para la siguiente muestra de agregado su densidad, gravedad específica y porcentaje de absorción. Datos. Msss = 3000 g. Msum = 1867 g Ms = 2945 g. Cálculos δ s 2945 g = (3000 g g) = 2.60 g / cm 3 NOTA: La unidad de medida de las gravedades específicas esta dada en g/cm 3, ya que la diferencia entre el peso en el aire y el peso sumergido equivale al empuje hidrostático que equivale al volumen de agua desalojado. δ δ sss apar. s 3000 g = (3000 g g) 2945 g = (2945 g g) = = 2.65 g/cm 2.73 g/cm 3 3

35 δ apar. sss 3000 g = (2945 g -1867g) = 2.78 g/cm 3 (3000g g) % Absorción = *100 = 1.87% 2945g Ensayos en arenas NTC-237 (ASTM C-128) Preparación de la muestra. Se toman aproximadamente 2000 g del agregado por el método del cuarteo y se sumergen durante 24 horas en agua para llenar los poros del material. Luego se somete a un secado lento al aire para eliminar el exceso de agua por encima del de saturación. A medida que la muestra va perdiendo humedad se debe evaluar periódicamente el momento en que esta en condiciones de saturada superficialmente seca. El método consiste en verificar si al llenar el molde tronco cónico de la figura 3.7 y compactar con 25 golpes distribuidos en tres capas con el pisón indicado la muestra conserva su forma, se derrumba totalmente o solo se derrumba la parte superior. Si la muestra conserva la forma todavía esta húmeda, si se derrumba totalmente esta seca y si se derrumba solo la parte superior esta en la condición de saturación requerida. Una vez se logra esta condición se miden 500 g del material ( Msss ) y se llevan al frasco volumétrico para medir el volumen de agua desalojado ( Vf ). El frasco volumétrico debe tener agua hasta el nivel inicial de 200 ml y su masa lleno solo con agua hasta los 450 ml se debe conocer ( Mpw). Se completa el frasco con agua hasta la marca de 450 ml y se pesa ( Mt). La muestra se extrae del frasco y se lleva a un secado en horno a temperatura de 105 o C hasta masa constante ( Ms ). Cálculos por volumen: - Densidad en bruto seca: Donde, Ms = Masa seca ( g ) δ = MS s (V - 200) Vf = Volumen de agua después de vaciar la muestra ( ml ) f

36 - Densidad en bruto saturada superficialmente seca: δ sss MSSS = (V 200) f - Porcentaje de absorción. % Absorción. % Absorción = ( M SSS M S MS) * mm 75 mm 90 mm 25 mm Molde tronco-cónico Pisón metálico Figura 3.7 Molde metálico y pisón para saturación de arenas Cálculos por peso: - Densidad en bruto seca: δ s = (M f MS M ) t Donde: Ms = Masa seca ( g ) Mf = Masa del frasco solo con agua hasta los 450 ml Mt = Masa del frasco con muestra con agua hasta 450 ml - Densidad en bruto saturada superficialmente seca: δ sss = (M f M SSS M ) t

37 Ejemplo. A una muestra de arena se le determinará su densidad, gravedad específica y porcentaje de absorción. Datos: Msss = 500 g Cálculos Vo = 200 ml. Vf = 383 ml Mt = g Ms = g Mf = 836 g - Por volumen. δ sss = 500 g (383 ml ml) = 2.73 g/cm 3 δ s g = = 2.69 g/cm 183ml 3 ( ) % Absorción = *100 = 1.56% Por peso: δ sss = ( = 2.64 g/cm ) 3 δ s = = 2.60 g/cm ( ) 3 Al comparar los resultados se observa que los valores están muy cercanos, por lo cual se puede decir que el método aproximado (método por volumen) da un resultado tan satisfactorio como el método exacto (método por peso). El porcentaje de absorción de 1.56% está dentro del rango de absorción de las partículas de agregados pétreos de peso normal.

38 3.4 Masas Unitarias y % de vacíos entre partículas Marco teórico La masa unitaria se define como la relación entre la masa sólida y el volumen ocupado por el material cuando se coloca dentro de un recipiente estándar de masa y volumen conocidos. Esta relación considera una nueva variable en las relaciones masa a volumen de los agregados, la relación de vacíos. Esta ultima medida representa el grado de empaque que tiene el material el cual a su vez esta relacionado con la cantidad de pasta requerida para llenar los espacios vacíos dejados entre partículas de agregados y entre partículas y pared del molde. Para un mismo agregado si el peso unitario disminuye es porque hay mas espacios vacíos que se deben llenar con pasta lo que afecta el costo y el comportamiento del hormigón en el tiempo ( aumento de la fluencia y la retracción del material ). La masa unitaria depende de la granulometría del agregado, la forma de las partículas y del nivel de compactación utilizado para colocar el material en el molde. Se distinguen por lo tanto tres tipos de masas unitarias de agregados: La masa unitaria suelta para agregados de menos de 38 mm de tamaño; la masa unitaria compactada con varilla para agregados de tamaño menor que 38 mm y mayor que 4.8 mm y la masa unitaria por vibrado para agregados de mas de 38 mm de tamaño Determinación de la masa unitaria de un agregado NTC-92 Inicialmente se debe seleccionar, de acuerdo al tamaño máximo del agregado, el volumen del medidor a utilizar ( Vr ). La tabla 3.7 es la guía para esta selección. El agregado debe estar seco al aire para iniciar la medida. a) Masa unitaria suelta: se comienza a llenar el recipiente dejando caer el material desde una altura de 50 mm del borde superior del molde hasta

39 su llenado total. Finalmente se enrasa y se completa el volumen con agregado de menor tamaño y se mide la masa total ( Mt ). b) Masa unitaria compactada con varilla: este ensayo solo es para agregados gruesos y consiste en llenar el recipiente en tres capas, de aproximadamente igual volumen, cada una compactada 25 veces con una barra lisa de 16 mm de diámetro y con su extremo semiredondeado. Se determina su masa total ( Mt ). Tabla 3.8 Recipientes para medida de la masa unitaria en agregados* Tamaño Volumen del Diámetro Altura Calibre lamina Calibre máximo del medidor (mm) (mm) pared lamina fondo agregado ( litros) (mm) (mm) ½ * El recipiente debe ser metálico y provisto de agarraderas de sujeción laterales para su fácil manejo en el laboratorio. La masa unitaria se determina con la expresión: M. U suelta = ( M M ) t V r r Donde Mr es la masa del recipiente y Mt y Vr son variables ya definidas. El % de vacíos en el interior del volumen se determina a partir de la definición de la densidad y la masa unitaria: M. U % V = δ s Los resultados de la medida se deben analizar conjuntamente con los valores obtenidos para la granulometría y la densidad en bruto del material.

40 Ejemplo: Determinar la masa unitaria y el volumen de vacíos del siguiente agregado usado para la fabricación de hormigón. Material Condición Densidad Mg/m3 V r M r M t cm3 g g Arena Suelta Grava Suelta Grava Compactada Agregado fino suelto: ( ) M. U. suelta = = 1.52 g / cm % V = = 43% Agregado grueso suelto: ( ) M. U. suleta = = 1.65 g / cm % V = = 40% Agregado grueso compactado con varilla: ( ) M. U. compact. = = 1.79 g / cm % V = = 35%

41 3.5 Humedad superficial en agregados Teoría general Cuando los agregados están expuestos directamente a la ación climática de lluvia y secado continuo llegan a almacenar grandes volúmenes de agua en su interior, principalmente en el caso de las arenas. Esta cantidad de agua almacenada puede llegar a valores hasta de un 30% de la masa seca del material. Considerando que la cantidad de agua de saturación de un agregado por lo general no supera un 3% de su masa seca se concluye que el agua superficial o libre adquiere valores significativos que se deben determinar para hacer los ajustes cuando se esta fabricando el hormigón en obra o en planta. En el diseño de una mezcla de hormigón una de las hipótesis básicas es considerar que las propiedades mecánicas del material así como su durabilidad son función de la relación entre el contenido de agua que requiere la mezcla ( para dar trabajabilidad y para reacción química) de la mezcla y el contenido de cementante (A/C). Esta relación experimental esta soportada por gran cantidad de ensayos de laboratorio que permiten predecir, con aceptable aproximación, la resistencia que adquiere un hormigón con una determinada ( A/C). Por ejemplo si se tiene un A/C = 0.45 y experimentalmente se conoce de registros históricos que la relación entre f c y A/C es: 90 f c = ( MPa) A / C 11 Se obtiene una resistencia probable de f c = 28 MPa. Si ahora se asume que los agregados están húmedos y tienen un exceso de agua, sobre la de saturación, de 10% los finos y 5% los gruesos es evidente que esta variables se debe tener en cuenta disminuyendo proporcionalmente el agua que se debe adicionar a la mezcla. Estos cálculos son sencillos y se deben realizar periódicamente en una central de producción de hormigón. Si se considera