ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE BLOQUES DE HORMIGÓN.

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1 ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE BLOQUES DE HORMIGÓN. M. F. VALAREZO Ingeniero Civil, M. Sc. Loja; Ecuador mfvalarezo@gmail.com RESUMEN Las pruebas estandarizadas para determinar la resistencia a compresión de bloques de hormigón requieren de un tratamiento previo a la cara del bloque que estará en contacto con la máquina de prueba. Este proceso conocido como refrentado tiene por objeto conseguir una transmisión uniforme de la carga. La normativa existente hace referencia a la aplicación de métodos como: pulido, mortero de sulfuro, yeso de alta resistencia y pasta de cemento. En este trabajo se presenta los resultados de comparar estos métodos de refrentado incluyendo un método adicional, que es la utilización de planchas plywood. Para la comparación cuantitativa se realiza un ANOVA que reporta la insignificancia estadística determinada entre los métodos y la comparación cualitativa se desarrolla en función a los procesos inherentes a cada método, así se determinan las ventajas y desventajas de cada uno de estos. 1. INTRODUCCION Como todo material de construcción los bloques de hormigón liviano deben cumplir con ciertas características que determinan su calidad y posteriormente su aceptación en la construcción de una obra determinada. Dentro de estas características su capacidad de resistencia a la compresión es una de las principales. La prueba de resistencia a la compresión consiste en aplicar una carga axial, que por medio de dispositivos provistos en la máquina de prueba se distribuye uniformemente a toda la superficie de contacto del bloque. Para asegurar una distribución uniforme de carga, la mayoría de normas internacionales sobre este ensayo considera realizar un tratamiento previo a la superficie de contacto del bloque. Los principales tratamientos indicados en la normativa internacional son: pulido o esmerilado, refrentado con mortero de sulfuro, refrentado con pasta de cemento y refrentado con yeso de alta resistencia (Tabla 1). El pulido se realiza con herramientas mecánicas o manuales hasta que la superficie de la probeta cumple con los requisitos de planicidad y paralelismo. Esto es, las caras del espécimen sobre las cuales se aplica la carga deben ser planas, con una tolerancia de 0,1 mm por cada 100 mm, de tal manera que la superficie superior se encuentre entre dos planos paralelos a la cara inferior y no se desvíe más de 1 mm por cada 100 mm [1]. El tratamiento de superficies de bloques de hormigón con recubrimiento de mortero de sulfuro, se desarrolla preparando una mezcla de sulfuro con arena, elevando su temperatura hasta unos 130 C para conseguir que fluya; posteriormente se coloca la mezcla en el molde y sobre ella, mientras está fresca, se coloca la cara del espécimen a tratar [2]. Se especifica un mortero con contenido de materia inerte entre 60% a 40% y de azufre entre el 40% y 60% respectivamente, el espesor de la capa de recubrimiento no será superior a 6 mm. La resistencia de la pasta será mínimo de 24 MPa a una edad máxima de 2 horas [3] o de 35 MPa de acuerdo a la normativa mexicana [4].

2 Tabla 1 - Tratamientos para superficie de bloques previo a la prueba de compresión. Tipo tratamiento ASTM C1552 UNE EN 772 NMX C 036 NTE INEN 2619 NTC 4026 Pulido o esmerilado X Recubrimiento con mortero de sulfuro X X X X Recubrimiento con pasta de cemento X X Recubrimiento con pasta de yeso de alta resistencia X X X La preparación de la pasta de yeso de alta resistencia requiere una relación agua-material cementante en rangos de 0,26 a 0,30 con un espesor máximo de 6 mm por capa y la resistencia de 24 MPa a la edad de 2 horas [5]. En cambio para la pasta de cemento se especifica utilizar arena y cemento en partes iguales con una relación de agua-cemento de 0,35 siendo así mismo el espesor de capa 6 mm como máximo. También se especifica solo la resistencia de la pasta como el caso de la norma española donde se indica que esta debe ser de 30 MPa [1]. De estos métodos, los recubrimientos con mortero de azufre y cemento son los más comúnmente utilizados; sin embargo, su procedimiento es bastante complejo y tedioso. La fabricación del mortero de azufre representa además un grave riesgo para la salud del operador. El recubrimiento con yeso de alta resistencia se encuentra muy limitado debido a la disponibilidad de este material en el mercado, difícil de conseguir por la alta resistencia que exige el método, razón por la cual no es motivo de análisis en este trabajo. Con los antecedentes citados se decidió incluir en esta investigación un nuevo método de recubrimiento para bloques llamado refrentado no adherido que no se especifica en ninguna de las normativas analizadas. Este método consiste en colocar una plancha de plywood (triplay) de 4 mm en ambas caras de contacto del bloque a ensayar, tal como se utiliza para el refrentado de adoquines de hormigón [6]. Así, el objetivo de este trabajo consiste en evaluar la efectividad de cada uno de estos métodos para determinar la resistencia a la compresión y determinar las similitudes entre ellos. Para la experimentación se fabricaron 180 bloques de hormigón ligero con una resistencia esperada de 2 MPa (20 kg/cm 2 ). Este lote de bloques se divide en cuatro grupos a los cuales se aplica cada uno de los tratamientos propuestos y se procede con la prueba de compresión. Con el objeto de verificar la incidencia de la regulación de la velocidad de aplicación de carga durante la segunda mitad del ensayo para el método refrentado no adherido, que de acuerdo a la especificación ASTM C 140 se debe aplicar continuamente en un rango de 0.1 ± 0.05 MPa/s regulando para ello la velocidad de aplicación durante la segunda mitad de la prueba. Primero se ensaya un grupo de bloques sometido al mismo tratamiento de superficie siendo la mitad del grupo ensayado con regulación de la velocidad de carga y la otra mitad se prueba sin la regulación de velocidad. Esta primera etapa de experimentación tiene por objeto homogenizar el procedimiento de prueba para todos los métodos de tratamiento. Con los resultados obtenidos se ejecuta un análisis de varianza ANOVA con la ayuda del software R PROJECT utilizado para comparar los cuatro métodos de refrentado aplicados. 2. MATERIALES Y METODOS 2.1 Materiales En el desarrollo de la investigación se emplearon los siguientes materiales: Hormigón liviano: Empleado en la fabricación de los bloques alivianados, compuesto por cemento portland tipo IP (ASTM C 1157), piedra pómez (ASTM C331) de la cantera Kumochi del sector Las Viñas, Latacunga (Tabla 2). Tabla 2 - Propiedades físico-mecánicas de la piedra pómez (Las Viñas, Latacunga). Terrones de arcilla y partículas Masa Volumétrica kg/m 3 Impurezas orgánicas desmenuzables, % Suelto Compactado (color garden) Piedra pómez 0, No.1 ASTM C331 < < No.3 2

3 2.1.2 Plywood: Utilizado para el refrentado no adherido, constituido por planchas triplay de 4mm de espesor con dimensiones 400mmx200mm (Tabla 3). Tabla 3 - Propiedades mecánicas del plywood. Resistencia a la Flexión Mpa Resistencia la Compresión MPa Paralela a las fibras Perpendicular a las fibras Paralela a las fibras Perpendicular a las fibras Mortero de sulfuro: Conformado por un 40% de azufre en masa y el 60% restante con arena procedente de la mina MALCA 3 (Tabla 4) de la ciudad de Catamayo, Provincia de Loja. La resistencia a la compresión del material elaborado a las 2 horas fue de 44,1 MPa muy superior a la requerida de 24MPa. Tabla 4 - Propiedades del arena de la Mina MALCA 3 (Catamayo, Loja). Partículas Masa Partículas menores a volumétrica livianas % 75um kg/m 3 Terrones de arcilla y partículas desmenuzables, % Densidad aparente (gr/cm 3 ) Absorción % Arena 0,79 0,2 4, ,36 1,9 ASTM C33 < 1 < 0,5 < Mortero de cemento: En la elaboración de este mortero se utilizó la combinación de cemento, cal y arena. La cal fue añadida como un regulador de fraguado consiguiendo con esto mantener la mezcla plástica y trabajable; al mismo tiempo por el aumento en la retención de agua se evita el agrietamiento en las capas del recubrimiento. Para la fabricación del mortero se emplearon cemento portland tipo GU (ASTM C 1157), cal hidratada, arena de la concesión minera Malca 3 (La Vega, Catamayo) y agua potable. La proporción empleada es una parte de cemento portland, 0,5 partes de cal y 1,88 partes de arena, manteniendo una relación arena/cementantes de 1,25 veces. Para la aceptación del mortero se espera una resistencia a las 48 horas superior a la resistencia esperada de los bloques alivianados (2 MPa) y a los 28 días una resistencia mínima de 24MPa de acuerdo a la NTE INEN 640. El cumplimiento de estos parámetros y otros citados en la misma normativa se muestran en la tabla 5. El flujo de la mezcla se encuentra dentro del rango establecido por la NTE INEN 2502 que es entre 130% y 150% o 50mm a 60mm medido mediante el cono de penetración. Así mismo el contenido de aire obtenido en la mezcla es inferior al 8% especificado como máximo [7]. Flujo % Tabla 5 - Propiedades físicas y mecánicas del mortero de cemento. Densidad gr/cm 3 Contenido aire % Resistencia a la compresión MPa (ASTM C270) (ASTM C270) 48 horas 28 días 135 1,85 6,8 10,5 27,2 2.2 Fabricación de bloques de hormigón alivianado La fabricación de los bloques de hormigón alivianado se realizó en base a una dosificación teórica establecida según las recomendaciones del ACI 211.3R y mezclas de prueba desarrolladas previamente en el laboratorio. En la dosificación se emplea una proporción cemento-árido de 1:10 por considerarse una mezcla semi-seca, con una cantidad de agua ajustada durante el mezclado para asegurar la cohesión de la mezcla y la no presencia de humedad libre. Los materiales son homogenizados y mezclados en una mezcladora rotatoria hasta conseguir la uniformidad. En la producción de los bloques se empleó una máquina BESSER, semi-mecánica que ejecuta un procedimiento vibratorio de alta frecuencia durante la fabricación, consiguiendo así que la mezcla de hormigón se distribuya uniformemente reduciendo el aire atrapado. La máquina tiene una capacidad de producción de 7 unidades por cada ciclo de 2 minutos, de esta manera en tres coladas de 60 unidades se obtuvieron en total 180 bloques con dimensiones de 400x200x100 mm. Las propiedades físicas y geométricas de los bloques elaborados se verifican de acuerdo a la norma ASTM C140 (Tabla 6). Luego, los bloques se someten al proceso de curado en húmedo por un sistema de aspersión de agua durante el periodo de 7 días. 3

4 Tabla 6. Propiedades físicas y geométricas de los bloques alivianados. Dimensiones promedio, mm Espesor pared Longitud Ancho Altura Peso promedio, kg 2.3. Preparación de la superficie de contacto de los bloques Contenido de humedad, % Absorción, % Densidad, kg/m 3 19,0 401,7 102,0 201,8 5,85 77,9 33, Posteriormente se prepara la superficie de los bloques de acuerdo a los cuatro tipos de tratamiento propuestos: pulido, recubrimiento con mortero de azufre, recubrimiento con mortero de cemento y refrentado no adherido (plywood). Así, en el pulido se eliminaron todos los machihembrados y acanaladuras de las superficies de contacto de los bloques, a través de herramientas mecánicas. Para el uso del refrentado no adherido, las planchas de plywood (triplay) fueron colocadas en las dos caras superior e inferior del espécimen previo a la prueba. Para elaborar el recubrimiento con mortero de azufre se fabricó un molde de acero con dimensiones 420x120x25 mm con una placa base de 4 mm de espesor y las paredes con una placa de 1,5 mm. El molde para refrentado se calienta antes de su uso para disminuir la velocidad de endurecimiento del mortero de azufre, permitiendo la producción de capas finas de refrentado; así mismo, se coloca una ligera capa de aceite sobre él para impedir que la pasta de sulfuro se adhiera a su superficie [2]. Cuando el mortero de azufre está listo se llena el molde hasta una profundidad de 6mm e inmediatamente se coloca la superficie del bloque a ser tratada sobre él (Figura 1.a). El bloque permanece en esta posición hasta que la pasta de mortero se encuentre solidificada, en esta condición se verifica que la capa de mortero de azufre este colocada adecuadamente esto es que no existan espacios vacíos, que se encuentre nivelada y con el espesor especificado. Para el refrentado con mortero de cemento se fabricó un molde de madera de 420x120x25 mm teniendo como base y paredes madera de espesor 25 mm. Previo a la colocación del mortero se coloca un desmoldante para facilitar el desencofrado. El proceso empieza colocando una capa de mortero en el molde, se ubica la superficie de contacto del bloque sobre la misma, ejerciendo una presión suave hacia abajo, luego de que el mortero se ha endurecido lo suficiente, se aplica el mismo procedimiento para la otra cara del bloque (Figura 1.b). Al final se cubren ambas caras del bloque con un paño húmedo durante 48 horas para completar el proceso de curado del mortero. a) Recubrimiento con mortero de azufre. 2.4 Prueba de Compresión b) Recubrimiento con mortero de cemento. Figura 1: Procedimientos de refrentado con mortero. Con la superficie de los bloques debidamente preparada, se arma el sistema de prueba, para lo cual se dispone dos placas de acero para transferencia de carga, una superior de 450x150x25 mm y un bloque inferior de 450x300x50 mm, 4

5 tal como se muestra en la figura 2. El equipo de compresión utilizado es una ACCU-TEK 500, calibrada de acuerdo a la ASTM E4 con capacidad de carga máxima de 2200KN. a. Vista lateral b. Planta Figura 2: Esquema del sistema de prueba. Las pruebas de compresión se ejecutaron en dos fases, en la fase 1 se prueban 30 bloques por cada uno de los tratamientos, en total 120 bloques. El objeto de esta fase es determinar la incidencia de la velocidad de aplicación de carga en la resistencia final de las probetas, para cada método estudiado. De esta manera para cada tratamiento se ensayaron dos grupos de bloques: el primero (15 bloques) sin regulación de la velocidad (NR) durante la aplicación de la carga y el segundo (15 bloques) con un control regulado de la velocidad de aplicación de carga (R) durante la segunda mitad del ensayo. En todo el proceso de prueba se siguieron las instrucciones de la norma ASTM C140 aplicando carga continuamente en un rango de velocidad de 0.1 ± 0.05 MPa/s hasta que el espécimen falle. Durante el proceso de velocidad controlada se ajustó la válvula de inyección de aceite de la máquina, con el objeto de mantener constante la velocidad de aplicación de la carga durante la última mitad de la fase de prueba. Los bloques utilizados en esta fase de la experimentación provienen de diferentes producciones pero obedecen al mismo diseño y la edad de prueba es la misma. Pulido Plywood Mortero de Sulfuro Mortero de Cemento Figura 3: Ensayo de compresión de los bloques con cada uno de los tratamientos superficiales. La fase 2 de la experimentación tiene como premisa identificar si existe variabilidad o similitudes significativas entre los resultados de carga reportados con cada uno de los cuatro métodos aplicados (Figura 3). Así se prueban 15 bloques por cada uno de los tratamientos analizados aplicando la regulación de la velocidad de carga durante la segunda mitad 5

6 de la prueba. Los 60 bloques ensayados provienen de una misma producción y se ensayan a la edad de 28 días con el mismo operador. 3. RESULTADOS Y DISCUSION Los resultados de la primera fase de experimentación se muestran en la Figura 4, en donde para cada tipo de tratamiento se han reportado los valores de carga sin regulación de la velocidad de prueba (NR) para los primeros 15 bloques (1-15) y los valores de carga con regulación de la velocidad de prueba (R) en los siguientes 15 bloques (16-30). De esto se aprecia que la desviación estándar (δ) presentada en estos subgrupos es menor cuando se regula la velocidad de carga (R) en la segunda etapa de la prueba. Esto ocurre para tres métodos de tratamiento, excepto para el refrentado no adherido (plywood) en donde esta desviación es mayor. Así mismo, se identifica que para los cuatro tratamientos la media (Xm) del valor de carga reportado es mayor cuando se regula la velocidad (R) de aplicación de carga durante la segunda mitad de la prueba, siendo esto más notorio en los tratamientos por pulido y plywood. Con base en estos resultados, la segunda fase de experimentación se realiza con la regulación de la aplicación de carga durante la segunda mitad de la prueba para todos los tipos de tratamiento, por presentar una menor desviación estándar para la mayoría de métodos de tratamiento analizados. Además se observa que la desviación estándar (δ) de los valores de carga para los tratamientos con mortero de azufre y mortero de cemento es muy superior a la desviación estándar presentada por los métodos de pulido y refrentado no adherido (plywood), esto independientemente de la regulación o no de la velocidad de aplicación de carga. Este comportamiento es atribuible a la variabilidad existente entre probeta y probeta por las acciones de preparación de la superficie requeridas por los métodos de recubrimiento con mortero y cemento. δ = 1,84 PULIDO δ = 1,70 δ = 1,72 PLYWOOD δ = 2,43 Carga KN Carga KN NR NR δ = 4,99 δ = 3,69 δ = 5,60 δ = 5,58 NR MORTERO DE AZUFRE NR MORTERO DE CEMENTO R No. Muestras Ensayadas Figura 4: Incidencia de la regulación de la velocidad de aplicación de carga. Los resultados obtenidos en la segunda etapa de experimentación con la aplicación regulada de la velocidad de carga durante la segunda mitad de la prueba, se presentan en la Figura 5 con la siguiente codificación: pulido (P1), plywood (P2), mortero de sulfuro (P3) y mortero de cemento (P4). Así el diagrama de cajas muestra que se obtienen valores de 6

7 carga superiores cuando se aplica el tratamiento de mortero cemento (P4) y valores de carga en un 25% más bajos cuando se emplea el pulido (P1). De la misma manera se aprecia una mayor desviación de datos cuando se emplean los métodos de tratamiento con mortero de sulfuro (P3) y plywood (P4). De esto se deduce que los métodos de tratamiento no son matemáticamente iguales, pero debido a la cercanía de sus medias entre algunos de ellos, podrían tener una diferencia no significativa. 95% family-wise confidence level p4-p3 p4-p2 p3-p2 p4-p1 p3-p1 p2-p1 p1 p2 p3 p Differences in mean levels of prueba a) Valores de carga (KN) obtenidos en los bloques con cada uno de los tratamientos. b) Resultado del ANOVA considerando las variaciones posibles. Figura 5: Reporte del análisis ejecutado en el programa R Stadistic. Residuals vs Fitted Normal Q-Q Residuals Standardized residuals Fitted values Theoretical Quantiles Standardized residuals Scale-Location Standardized residuals Constant Leverage: Residuals vs Factor Levels 28 prueba : p1 p2 p3 p Fitted values Factor Level Combinations Figura 6: Validación del análisis ANOVA. Esto se analiza a través del ANOVA con ayuda del software R PROJECT realizando comparaciones posibles entre pares de métodos de tratamiento, así se obtienen seis comparaciones de análisis que se presentan en la Figura 6. Aquí el 7

8 eje de las abscisas representa la diferencia entre los niveles medios de prueba, así aquellas combinaciones que presenten una diferencia cero dentro de su rango de medida se pueden considerar iguales estadísticamente, el resto son diferentes. De esta manera en los resultados de la Figura 6 se encuentra que efectivamente existen procedimientos con resultados similares estadísticamente como es el caso del pulido con el tratamiento las planchas de plywood (P2-P1) y los métodos de recubrimiento con mortero de sulfuro y mortero de cemento (P4-P3). No ocurre lo mismo con las otras cuatro combinaciones analizadas, en donde se demuestra que existe una diferencia significativa entre los resultados obtenidos por sus métodos. La validación de estos resultados se realiza con el análisis ANOVA demostrando que las pruebas cumplen con la condición de varianzas homogéneas al obtener la horizontalidad de los valores de residuos y la normalidad de estos forman una línea recta (Figura 7). 4. CONCLUSIONES La regulación de la velocidad de aplicación de carga (R) durante la segunda mitad de la prueba, aumenta el valor de carga, principalmente en los tratamientos de pulido y planchas de plywood. Los tratamientos P1 (pulido) y P2 (plywood) son iguales estadísticamente, no matemáticamente, esto quiere decir que la diferencia entre los valores reportados por ambos métodos es insignificante y resultaría lo mismo utilizar indistintamente el uno o el otro. El mismo criterio se aplica a los tratamientos P3 (mortero de sulfuro) y P4 (mortero de cemento). Una variación significativa tanto matemática como estadista se observa en los otras combinaciones analizadas como son pulido (P1) (P3) mortero de sulfuro, pulido (P1) (P4) mortero de cemento, plywood (P2) (P3) mortero de sulfuro y plywood (P1) (P4) mortero de cemento. En todos estos casos no se podrían comparar ni validar resultados entre estas combinaciones. La investigación demuestra que el uso de planchas de plywood como material de refrentado presenta resultados similares a los obtenidos con el pulido del espécimen; por lo que se convierte en un método a ser considerado por las normativas existentes, fundamentando su particularidad en su facilidad y rapidez de operación con respecto a los otros tres métodos analizados. 5. REFERENCIAS [1] UNE-EN 772, Métodos de Ensayo de piezas para fábrica de albañilería. Parte 1: Determinación de la resistencia a compresión, Asociación Española de Normalización y Certificación, Madrid, España, [2] Valarezo, M., Román, J., Técnico en Pruebas de Resistencia, Programa de Certificación ACI Internacional ISBN , Editorial Universidad Técnica Particular de Loja, Ecuador, 2009, pp. 70. [3] NTE INEN 2619, Bloques huecos de hormigón, unidades relacionadas y prismas para Mampostería. Refrentado para el ensayo a compresión, Instituto Ecuatoriano de Normalización, Quito, Ecuador, [4] ONNCCE NMX C-036, Industria de la Construcción - Bloques, Tabiques o Ladrillos, Tabicones y Adoquines - Resistencia a la compresión Método de Prueba, Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y la Edificación, S. C., México, [5] ASTM Standard C1552, Standard Practice for Capping Concrete Masonry Units, Related Units and Masonry Prisms for Compression Testing ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2009, DOI: /C A, [6] ASTM Standard C936, Specification for Solid Concrete Interlocking Paving Units ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2001, [7] NTE INEN 2518, Morteros para Unidades de Mampostería. Requisitos, Instituto Ecuatoriano de Normalización, Quito, Ecuador,