Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana

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1 Revista Estudiantil URU Universidad Rafael Urdaneta N º 5 Enero - Junio 2017 ISSN: Depósito Legal: ppi ZU4657 Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana Resumen Escuela de Ingeniería Civil. Facultad de Ingeniería. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo, Venezuela. mafabiolaml@gmail.com y rafaelandresurbina@gmail.com Recibido: Aceptado: El objetivo general de la investigación fue determinar la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana, con diferentes proporciones de arena blanca y arena roja. Para ello se determinaron las propiedades físicas y mecánicas de los agregados finos de la región zuliana mediante ensayos de laboratorio regidos por las normas COVENIN. El tipo de investigación fue descriptiva, no experimental de campo, ya que no se manipularon intencionalmente las propiedades físicas y mecánicas del mortero para obtener los resultados; los ensayos se llevaron a cabo en el laboratorio de Ensayos y Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia (LUZ). Se elaboraron 360 cubos, de los cuales 90 pertenecen a proporción 100% arena blanca, 90 a la proporción 100% arena roja, 90 a la proporción 60% arena blanca, 40% arena roja y 90 a la proporción 40% arena blanca, 60% arena roja. Como primer objetivo se diseñó la mezcla de mortero 1:6 combinando las proporciones de arena blanca y arena roja y con diferentes relaciones de agua/cemento para cada tipo de mortero. Luego, se determinó el flujo y la resistencia a la compresión de cada mezcla elaborada para posteriormente analizar estadísticamente los resultados de los ensayos de flujo y resistencia a la compresión para determinar la relación agua/cemento ideal para la proporción arena:cemento 1:6. En esta investigación se determinó que la relación a/c ideal para una mezcla 100% arena blanca es de 1,38, para una mezcla 100% arena roja 0,94, para una mezcla 60% arena blanca y 40% arena roja 1,05 y para una mezcla 40% arena blanca y 60% arena roja 1,01. Palabras clave: Agua/cemento, resistencia a la compresión, moteros. Determination of the ideal water/cement relationship for 1:6 mortars with aggregates from the Zulian region Abstract The general objective of this investigation was to determine the ideal water-cement relationship for 1:6 mortars with aggregates from the zulian region. In order to achieve this, the physical and mechanical properties of sand aggregates from the zulian region were determined through laboratory tests ruled by COVENIN norms. The type of investigation was descriptive, nonexperimental field-based, since there was no intentional manipulation of the mortars physical and mechanical properties in order to obtain the results; the tests were performed in the Tests & Materials laboratory located at La Universidad del Zulia s (LUZ) School of Engineering. 360 cubes were elaborated, of which 90 belong to a 100% white sand proportion, 90 to a 100% red sand proportion, 90 to a 60% white sand and 40% red sand proportion and 90 to a 40% white sand and 60% red sand proportion. As a first objective, a mortar 1:6 mix was designed, combining all white and red sand proportions with different water-cement relations assigned to each type of mortar. Furthermore, each mix s flow and resistance to compression was determined in order to analyze the results from the flow and resistance to compression s tests in a statistic form to determine the ideal water-cement relation for the sand:cement 1:6 proportion. This investigation as well determined that the ideal w/c relation for a 100% white sand mix is 1,38, 83

2 84 while for a 100% red sand mix it is 0,94 and for a 60% white sand and 40% red sand mix is 1,05. At last, the ideal w/c relation for a 40% white sand and 60% red sand mix is 1,01. Keywords: Water/cement, compression resistance, mortars. Introducción La presente investigación se valió de la creación e innovación en los materiales utilizados para mejorar el acabado en obras de construcción locales, con el propósito de determinar de forma exacta una relación ideal agua/cemento en los morteros 1:6 con agregados de la región zuliana.de esta forma, el principal punto a discutir fue la necesidad de encontrar la relación agua/cemento ideal, con el fin de establecer un precedente en la mejora de morteros 1:6 en la región.para esto, fue necesario determinar las propiedades físicas y mecánicas de los agregados finos de la región zuliana mediante ensayos de laboratorio regidos por las normas COVENIN para a partir de ahí, diseñar una mezcla de mortero 1:6 combinando las proporciones de arena blanca y arena roja, con diferentes relaciones de agua/cemento para cada tipo de mortero. Se estableció además el flujo y la resistencia a la compresión a los 28 días de cada mezcla para analizarlos estadísticamente y obtener así la relación agua/cemento ideal para la proporción arena:cemento 1:6. Algunos aportes por otras investigaciones sirvieron como sustento para este estudio, como el trabajo de Curiel & Hernández (2012), que determinó la resistencia a la compresión de morteros utilizando cemento portland tipo II, arcilla y arena dulce de la región falconiana, con una proporción de 0% y 20% de arcilla/cemento y relaciones de 1,3:1 y 1,8:1 aglomerante/arena, de igual forma la investigación realizada por Solís-Carcaño, Moreno & Arjona-Otero (2012), quienes realizaron una evaluación del concreto con bajas relaciones agua/cemento y agregados calizos de alta absorción, comprobando que la calidad de la pasta de cemento se hace mayor si se utilizan bajas relaciones entre el agua y el cemento, y que las propiedades de los agregados dependen principalmente del tipo de roca y de la forma de las partículas, donde se concluyó que es posible diseñar con los agregados estudiados concretos de fc de hasta 500 kg/cm2. Así mismo el trabajo de Carrasquero & Ochoa (2008) quienes determinaron las características físicas y mecánicas de morteros de cemento Portland tipo I, utilizando agregados de la región zuliana, 70% arena roja y 30% arena blanca, con la finalidad de documentar la relación agua/cemento y su resistencia ante distintas solicitaciones. Dentro del presente estudio según Morales & Urbina (2016) se establecieron las relaciones agua/cemento ideales para cada tipo de mezcla y se determinó además que el mortero 100% arena roja tiene un mejor comportamiento a la resistencia en comparación a las demás mezclas. Metodología Tipo y diseño de la investigación Según Chávez (1994), las investigaciones descriptivas son todas aquellas que se orientan a recolectar informaciones relacionadas con el estado real de las personas, objetos, situaciones o fenómenos, por tal motivo la presente investigación se define dentro de los parámetros expuestos por Hurtado (2010), pues, su principal objetivo fue determinar la relación agua/cemeto ideal para morteros con una relación volumétrica cemento:arena 1:6, elaborados con agregados de la región zuliana; realizando ensayos de flujo y resistencia a la compresión donde los resultados obtenidos fueron analizados y posteriormente comparados entre sí. Así mismo, este trabajo de investigación fue no experimental de campo, pues no se manipularon intencionalmente las propiedades físicas y mecánicas del mortero para obtener los resultados; los ensayos se llevaron a cabo en el laboratorio de Ensayos y Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia (LUZ), recogiendo los datos necesarios en el sitio sin manipular o controlar variable alguna. Dicha conclusión basada en las afirmaciones de Hernández, Fernández & Baptista (2006), quienes señalan que la investigación no experimental es la que se realiza sin manipular intencionalmente las variables; es decir, no se modifican las variables independientes, lo que se efectúa es la observación del fenómeno tal como se da en el contexto natural, para luego ser analizados.

3 Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana. 85 Población y muestra Para el desarrollo o selección de la población y muestra, se estudiaron los conceptos expuestas por Hernández et al (2006), pues para este trabajo de investigación se tomó como población el mortero con una relación volumétrica 1:6 y como muestra la totalidad de 360 cubos de morteros de cemento elaborados con diferentes dosificaciones de arena blanca y arena roja y diferentes relaciones agua/cemento.90 cubos con 100% arena blanca, 90 cubos con 100% arena roja, 90 cubos con 60% arena blanca y 40% arena roja y 90 cubos con 40% arena blanca y 60% arena roja. Procedimiento metodológico Para la caracterización de agregados, se determinó el módulo de finura de ambas arenas mediante el ensayo granulométrico, después de realizar este ensayo se realizó el ensayo de la determinación del contenido de material más fino que el cedazo #200, se determinaron las partículas menores de 20 micras y para finalizar la caracterización de la arena blanca y la arena roja de la región zuliana, se realizó el ensayo de densidad y absorción. Además de esto, se determinó el peso unitario suelto y compactado para la arena roja y la arena blanca, según lo descrito por la norma COVENIN Método de ensayo para determinar el peso unitario suelto y compactado del agregado. Para el diseño de mezcla utilizado en esta investigación, se calcularon las cantidades de cada uno de los componentes que conforman la mezcla del mortero con el fin de garantizar el comportamiento del mismo para los cuatro tipos de mezcla (100% arena blanca, 100% arena roja, 40% arena blanca y 60% arena roja, 60% arena blanca y 40% arena roja) con las diferentes relaciones agua/cemento. La proporción cemento:arena (c:a) utilizada fue 1:6, es decir se utilizó un parte volumétrica de cemento con 6 partes volumétricas de arena blanca, arena roja o combinadas según fuera el caso. Se tantearon varias relaciones agua/cemento para poder encontrar un flujo óptimo de trabajabilidad. A partir de esto, se tomó en cuenta una relación agua/cemento por encima de la ideal y otra por debajo.una vez determinados todos los componentes para las cuatro mezclas, se procedió a realizar el mezclado de los materiales que lo conforman (arena blanca, arena roja y cemento) según las tres relaciones agua/cemento previamente asignadas a cada mezcla. Determinación del flujo Para determinar la trabajabilidad de la mezcla fue necesario conocer el flujo de la misma, esto se realizó al momento de elaborar cada mezcla de mortero elaborada utilizando la mesa de caída, un molde en forma truncada y un compactador y se siguió el procedimiento de ensayo descrito por la norma COVENIN ( ) Cemento Portland. Determinación de la resistencia a la compresión de morteros en probetas cúbicas 50.8 mm de lado para hacer la medición del mortero, tomando tres diámetros para calcular un diámetro promedio final. La determinación del porcentaje de flujo se realizó con la siguiente ecuación; Determinación de la resistencia a la compresión El ensayo de resistencia a la compresión se basó en lo establecido por la norma COVENIN ( ), luego de haber mezclado las cantidades de materiales y haberse realizado el ensayo de flujo. Después de haber realizado el ensayo de resistencia a la compresión, se obtuvo la carga última arrojada por la máquina universal y para determinar dicha resistencia se utilizó la siguiente ecuación: Los datos que fueron recolectados a lo largo de los ensayos fueron una serie de números que reflejaron el comportamiento de las variables observadas durante la investigación. Para interpretar adecuadamente estos resultados se

4 86 requirió procesarlos estadísticamente para poder analizarlos con facilidad y presentar así las conclusiones a fin de diseñar la propuesta y realizar las recomendaciones. De esta manera, la evaluación estadística se efectuó comparando los promedios para cada par de valores de los 90 cubos por tipo de mezcla, 360 cubos en total denominado N de puntos, de esta forma se obtuvo la evaluación estadística descriptiva deseada, calculando la media aritmética, desviación estándar y el valor Z. Los resultados obtenidos de los ensayos fueron comparados en gráficos flujo vs agua/cementoy resistencia a la compresión vs agua/cemento con la finalidad de determinar la relación agua/cemento ideal para cada tipo de mezcla de mortero 1:6 elaboradas con arenas de la región zuliana. Resultados Siguiendo con los procedimientos expresados por la norma COVENIN , se determinó el módulo de finura tanto para la arena blanca, como para la arena roja dando como resultados 1,14 y 0,90 respectivamente, muy por debajo de la norma la cual indica un rango de aceptación de la arena entre 2,5 y 3.1. También se halló el contenido de material más fino que el cedazo COVENIN 74 micras (#200) siendo éste 3,78% para la arena blanca y 23,3% para la arena roja. Para el resultado de la densidad y la absorción se realizaron 3 ensayos para la arena blanca y 3 ensayos para la arena roja y se tomó un promedio de los valores para obtener el resultado final. Dichos ensayos fueron realizados siguiendo los procedimientos de la norma COVENIN y encontró que para la arena blanca los resultados se encontraron dentro del rango de la norma, mientras que para la arena roja los valores se encontraron por debajo. Al realizar el ensayo del peso unitario se tuvo como resultado que para ambas arenas el peso unitario se encontró en un rango entre 1505,14 kg/m 3 y 1666,08 kg/m 3 tal cual indica el rango establecido por la norma COVENIN Luego de realizar la caracterización del agregado fino, se procedió a realizar el diseño de las mezclas de mortero de cemento portland combinando diferentes proporciones de arena blanca y arena roja. Al calcular las cantidades de cada uno de los componentes del diseño de mezcla, se obtuvieron los pesos correspondientes para cada tipo de mezcla como se observa en la tabla 1. Tipos de Mezcla Peso de la arena blanca 100% Arena Blanca Tabla 1 Pesos correspondientes para cada tipo de mezcla 100% Arena Roja 60% Arena Blanca y 40% Arena Roja 4662 gr ,20 gr 1864,8 gr 40% Arena Blanca y 60% Arena Roja Peso de la arena roja gr 1809,60 gr 2714,40 gr Peso del cemento 750,99 gr 750,99 gr 750,99 gr 750,99 gr Una vez determinados todos los componentes se asignaron las tres relaciones agua/cemento para cada tipo de mezcla, expresadas en la tabla 2. Tabla 2 Relaciones agua/cemento para cada tipo de muestra Tipo de Mezcla Relación Cemento 1 Agua/ Relación Cemento 2 Agua/ 100% Arena Blanca 1,35 1,25 1,45 100% Arena Roja 0,95 0,85 1,05 60% Arena Blanca y 40% Arena Roja 40% Arena Blanca y 60% Arena Roja 1,05 0,95 1,15 1,00 0,90 1,10 Relación Cemento 3 Agua/

5 Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana. 87 Al momento de elaborar cada mezcla de mortero fue necesario conocer el flujo de trabajabilidad. Se tomaron tres diámetros para calcular un diámetro promedio final y obtener así el flujo de cada cubo de mortero a ensayar por cada tipo de mezcla. En orden para encontrar una relación agua/cemento ideal para morteros elaborados con agregados de la región zuliana, se graficaron los resultados obtenidos de flujo de trabajabilidad vs las tres relaciones agua/cemento que se utilizaron para cada tipo de mezcla como se observa en los siguientes gráficos. Figura 1 Gráfico flujo vs agua/cemento para mezcla 100% arena blanca Figura 2 Gráfico flujo vs agua/cemento para mezcla 100% arena roja

6 88 Figura 3 Gráfico flujo vs agua/cemento para mezcla 60% arena blanca, 40% arena roja Figura 4 Gráfico flujo vs agua/cemento para mezcla 40% arena blanca, 60% arena roja Mediante las gráficas elaboradas de porcentaje de flujo vs relación a/c, se determinó una relación a/c para la obtención de cada uno de los porcentajes óptimos de flujo en la mezcla (105%, 110% y 115%). Luego de haber obtenido los resultados de la resistencia a la compresión para cada tipo de mezcla de mortero, se realizó un análisis estadístico utilizando el valor Z, para lo cual fue necesario la previa obtención de la desviación estándar y la media aritmética de cada tipo de mezcla. Después de haber encontrado y descartado los datos atípicos de resistencia a la compresión, se procedió a graficar una curva polinómica resistencia a la compresión vs relación agua/ cemento, a partir de ahí se obtuvo el valor de resistencia a la compresión ideal para cada tipo de mezcla. Ver gráficos 5, 6, 7 y 8 y tabla 3.

7 Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana. 89 Figura 5 Curva de resistencia a la compresión para mezcla 100% arena blanca. Figura 6 Curva de resistencia a la compresión para mezcla 100% arena roja.

8 90 Figura 7 Curva de resistencia a la compresión para mezcla 60% arena blanca 40% arena roja Figura 8 Curva de resistencia a la compresión para mezcla 40% arena blanca 60% arena roja Tabla 3 Resistencia a la compresión según relación agua/cemento ideal Mezcla Relación agua/cemento Resistencia a la compresión 100% arena blanca 1,38 15 kg/cm 2 100% arena roja 0,94 43 kg/cm 2 60% arena blanca 40% arena roja 1,05 29 kg/cm 2 40% arena blanca 60% arena roja 1,01 38 kg/cm 2

9 Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregados de la región zuliana. 91 Conclusiones Para determinar la relación agua/cemento ideal para moteros con una proporción volumétrica 1:6 con agregados de la región zuliana, se trabajó con cuatro diferentes tipos de mezclas, 100% arena blanca, 100% arena roja, 60% arena blanca y 40% arena roja y 40% arena blanca y 60% arena roja. Al momento de tener los datos de todas las mezclas con las diferentes relaciones a/c se graficaron estos resultados de flujo Vs a/c, de estos gráficos se determinó que la relación a/c ideal para una mezcla 100% arena blanca es de 1,375, para una mezcla 100% arena roja 0,94, para una mezcla 60% arena blanca y 40% arena roja 1,05 y para una mezcla 40% arena blanca y 60% arena roja 1,01. La resistencia a la compresión de las diferentes mezclas de mortero fueron muy variables, la mezcla 100% arena blanca con una relación agua/cemento 1,35 se encuentra en un rango entre 1,23 kg/cm2 y 16,27 kg/cm2 con un promedio de 9,75 kg/cm2, la mezcla 100% arena roja con una relación agua/cemento 0,95 se encuentra en un rango entre 38,82 kg/cm2 y 53,91 kg/cm2 con un promedio de 47,01 kg/cm2, la mezcla 60% arena blanca y 60% arena roja con relación agua/cemento 1,05 se encuentra en un rango entre 21,41 kg/cm2 y 44,36 kg/cm2 con un promedio de 31,28 kg/cm2 y por último la mezcla 40% arena blanca y 60% arena roja con una relación agua/cemento 1,00 se encuentra en un rango de 28,34 kg/cm2 y 49,02 kg/cm2 con un promedio de 39,26 kg/cm2. Lo que indica que el mortero 100% arena roja tiene un mejor comportamiento a la resistencia que las demás mezclas. La resistencia a la compresión según la relación agua/cemento ideal de la mezcla 100% blanca fue de 15 kg/cm2, mientras que la resistencia a la compresión de la mezcla 100% arena roja según su relación agua/cemento ideal fue de 43 kg/cm2. En el caso de las mezclas con diferentes proporciones, la resistencia a la compresión de la mezcla 60% arena blanca 40% según su relación agua/cemento ideal fue 29 kg/cm2 mientras que la resistencia a la compresión de la mezcla 40% arena blanca 60% arena roja según su relación agua/cemento ideal fue de 38 kg/cm2, sosteniendo la conclusión de que la mezcla 100% arena roja tiene la mejor resistencia a la compresión en comparación con la arena blanca y las diferentes proporciones de arena. Referencias Bibliográficas Carrasquero & Ochoa. (2008). Caracterización de morteros de cemento portland tipo I, utilizando agregados de región zuliana setenta porciento arena roja y treinta porciento arena blanca. (Trabajo de grado). Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela. Curiel G. & Hernández L. (2012). Resistencia a la comprensión de morteros utilizando cemento portland tipo II, arcilla y agregados de la región falconiana. Recuperado de: pdf Chávez, N. (1994). Introducción a la investigación educativa. Caracas. Hernández, R., Fernández, C., & Baptista, P. (2006). Metodología de la investigación (4ta ed.). México: McGrall-Hill. Hurtado, J. (2010). El proyecto dela investigación. Compresión holística de la metodología y la investigación. (6ta edición). Caracas, Bogotá. Morales, M. & Urbina R. (2016). Determinación de la relación agua/cemento ideal para morteros 1:6 con agregadosde la region zuliana. (Trabajo especial de grado). Universidad Rafael Urdaneta, Maracaibo, Venezuela. Norma COVENIN 263 (1978). Método de ensayo para determinar el peso unitario. Norma COVENIN 268 (1978). Método de ensayo para determinar el peso específico y la absorción del agregado fino. Venezuela.

10 92 Norma COVENIN 484 (1993). Cemento Portland. Determinación de la resistencia a la compresión de morteros en probetas cúbicas 50.8 mm de lado. (3ra rev.). Venezuela. Solís-Carcaño, R., Moreno, E. & Arjona-Otero, E. (2012). Evaluación del concreto con bajas relaciones agua/cemento y agregados calizos de alta absorción. Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela, 27(4), Recuperado de s&tlng=es.