TESIS INGENIERÍA CIVIL

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA CAMPUS COATZACOALCOS FACULTAD DE INGENIERÍA INFLUENCIA DE LA MORFOLOGÍA DE LOS AGREGADOS EN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO TESIS QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA: EXPERIENCIA RECEPCIONAL CORRESPONDIENTE AL PROGRAMA EDUCATIVO INGENIERÍA CIVIL PRESENTA CRISTINA GUADALUPE ESTRADA HERNÁNDEZ RAÚL PÁEZ ALDAMA DIRECTOR DE TESIS: M.C. JUAN ANTONIO GUZMÁN VENTURA COATZACOALCOS, VER. ENERO DE

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3 AGRADECIMIENTOS A dios, como persona creyente y agradecida por la vida que me ha brindado, por las bendiciones, obstáculos y alegrías y por encauzar siempre mí camino. A mis Padres, que siempre me han apoyado e hicieron de mí una persona feliz, humilde y perseverante, por darme la oportunidad de progresar en la vida con la conclusión de mis estudios a nivel profesional. Por todos sus esfuerzos y sacrificios. A mis hermanos y cuñada, en especial a mi hermana que es mi gran amiga; por siempre darme ánimos y estar orgullosos de mi persona. A mi abuelito, que siempre se preocupó por mí y deseaba al igual que yo este logro. A mi familia y amigos, siempre interesados en mis logros gracias por sus consejos. A Raúl mi novio que siempre ha estado a mi lado, gracias por el apoyo y responsabilidad mutua en este proyecto. 1 Gracias. Cristina Estrada. A Dios por haberme permitido vivir hasta este día, acompañándome y guiándome a lo largo de mi carrera, brindándome una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo de una familia. Le doy gracias a mis padres por ser parte importante de mi vida, por apoyarme en todo momento y darme la oportunidad de estudiar esta carrera, que sin su enorme apoyo, esfuerzo y entrega esta tesis no habría sido posible. A mi hermano por ser un gran amigo para mí y brindarme su apoyo. A mi familia en general, porque me han brindado su apoyo incondicional. A mis amigos por su confianza y creer en mí siendo un trayecto de vivencias inolvidables; a mi novia por ser alguien importante para mí y haberme acompañado a lo largo de todo este tiempo. Gracias. Raúl Páez.

4 A la Universidad Veracruzana; al Laboratorio de Mecánica de suelos por darnos cabida en sus instalaciones y por el equipo facilitado para la finalización de este proyecto. A nuestro asesor el Maestro en Ciencias Juan Antonio Guzmán Ventura, por el apoyo, experiencia y conocimientos compartidos que fueron gran herramienta en la realización de esta tesis. Al Técnico Académico, el señor Joaquín Ferrando García por ser guía indispensable en el transcurso de este proyecto, por su apoyo y su interés, así como los conocimientos y experiencias compartidas para con nosotros. Gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la realización de este proyecto. Muchas Gracias Cristina y Raúl 2

5 INDICE Influencia de la Morfologia de los Agregados en la Resistencia del Concreto AGRADECIMIENTOS... 1 INDICE... 3 INDICE DE TABLAS... 7 INDICE DE FIGURAS... 8 INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVOS JUSTIFICACIÓN ALCANCE Y LIMITACIONES, HIPÓTESIS MARCO DE REFERENCIA CAPITULO 1 ANTECEDENTES CAPITULO 2 MATERIALES ANTECEDENTES HISTÓRICOS COMPONENTES DEL CONCRETO Aspectos Fundamentales del Concreto Cemento Proceso de Fabricación Propiedades del Cemento Portland Propiedades Químicas Propiedades Físicas y Mecánicas Tipos de Cemento Portland Agua Características del Agua Especificaciones Agua utilizada para la investigación Agregados para el Concreto Origen de los Agregados Rocas Ígneas Rocas Sedimentarias Rocas Metamórficas Clasificación de los Agregados Clasificación según su procedencia Clasificación según su tamaño Clasificación por su forma y textura Clasificación según su densidad Arenas y Gravas Naturales

6 Arenas y Gravas Trituradas Propiedades de los Agregados Criterios para la elección de los Agregados Propiedades Químicas de los Agregados Propiedades Físicas de los Agregados Propiedades Mecánicas de los Agregados Sustancias Perjudiciales CAPITULO 3 DISEÑO DE MEZCLAS INTRODUCCIÓN EL ARTE DE DOSIFICAR Consideraciones Generales Trabajabilidad Propiedades Principales del Concreto Fresco Resistencia Durabilidad CRITERIO GENERAL DE DISEÑO DE MEZCLAS, METODO ACI CAPITULO 4 PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS AGREGADOS PETREOS Practica para Reducir una muestra de Agregados a una cantidad representativa Practica de Laboratorio con Agregados Finos para Concreto Composición Granulométrica de la Arena Cálculos Practica de Laboratorio con Agregados Gruesos para Concreto Composición Granulométrica de la Grava Normal Cálculos Composición Granulométrica de la Grava Triturada Cálculos Determinación de Tamaños Menores que mm (Malla 200) de la Arena Determinación de Pérdida de Finos por Lavado Utilizados Cálculos Determinación de la Absorción en Materiales para Concreto Hidráulico Determinación de la Absorción de los Agregados Utilizados Determinación de la Absorción de la Arena Cálculos Determinación de la Absorción de la Grava Normal Cálculos Determinación de la Absorción de la Grava Triturada Cálculos Determinación de la Densidad en Materiales para Concreto Hidráulico Determinación de la Densidad de los Agregados Utilizados Determinación de la Densidad Relativa de la Arena Cálculos A) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Normal

7 Cálculos B) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Normal A)Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Triturada Cálculos B) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Triturada Determinación del Peso Volumétrico de los Agregados para Concreto Determinación del Peso Volumétrico Compacto de la Grava Normal Cálculos Determinación del Peso Volumétrico Compacto de la Grava Triturada Cálculos CONCRETO FRESCO Elaboración de la Mezcla de Concreto Manualmente Concreto Fresco. Normatividad Prueba Estándar de Revenimiento para Concreto Fresco Prueba Estándar para la Elaboración de Especímenes de Concreto CONCRETO ENDURECIDO Concreto Endurecido. Normatividad Curado de Especímenes de Concreto en el Laboratorio Cabeceo de Especímenes en el Laboratorio Método de Prueba Estándar para la Determinación de la Resistencia a la Compresión en Cilindros de Concreto Cálculos Baja Resistencia en los Resultados de Ensaye de Cilindros de Concreto CAPITULO 5 RESULTADOS GRANULOMETRIA Composición Granulométrica de la Arena Composición Granulométrica de la Grava Normal Composición Granulométrica de la Grava Triturada DETERMINACIÓN DE TAMAÑOS MENORES (MALLA 200) DE LA ARENA Determinación de Pérdida de Finos por lavado DETERMINACIÓN DE LA ABSORCIÓN EN MATERIALES PARA CONCRETO HIDRÁULICO Determinación de la Absorción de la Arena Determinación de la Absorción de la Grava Normal Determinación de la Absorción de la Grava Triturada DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD EN MATERIALES PARA CONCRETO HIDRÁULICO Determinación de la Densidad de la Arena (a) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Normal (b) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Normal (a) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Triturada (b) Determinación de la Densidad Relativa de la Grava Triturada

8 5.5 DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO DE LOS AGREGADOS PARA CONCRETO HIDRAULICO Determinación del Peso Volumétrico Compacto de la Grava Determinación del Peso Volumétrico Compacto de la Grava Triturada DISEÑO DE MEZCLAS POR EL METODO ACI TABLA Y GRAFICAS DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFÍA

9 INDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Componentes principales del Cemento Tabla 2.2 Valores Típicos de los compuestos de los diferentes tipos de Cemento Portland Tabla 2.3 Clasificación de los agregados por su origen Tabla 2.4 Clasificación de la Forma de las Partículas Tabla 2.5 Textura de los Agregados Tabla 2.6 Clasificación de los Agregados según su densidad Tabla 3.1 Valores de asentamientos para el ensayo del Cono de Abrams Tabla 3.2 Revenimientos recomendados para varios tipos de construcción [ACI 211] Tabla 3.3 Requerimientos de Agua aproximada de mezclado y contenido de aire para diferentes revenimientos y tamaños máximos nominales de agregado [ACI 211] Tabla 3.4 Relaciones entre la relación Agua/Cemento y la resistencia a la compresión del concreto [ACI 211] Tabla 3.5 Relaciones agua/cemento máximas permisibles para concreto sujeto a exposiciones severas Tabla 3.6 Volumen de agregado grueso por unidad de volumen del concreto [ACI 211] Tabla 3.7 Calculo tentativo del peso del concreto fresco Tabla 4.1 Normatividad de Agregados Pétreos Tabla 4.2 Numero de Mallas Tabla 4.3 Numero de Mallas Tabla 4.4 Numero de Mallas Tabla 4.5 Normatividad del Concreto Fresco Tabla 4.6 Asiento en centímetros del concreto Tabla 4.7 Normatividad del Concreto Endurecido Tabla 4.8 Diagrama de Fallas de cilindros a compresión Tabla 4.9 Tolerancias

10 INDICE DE FIGURAS Fig. 2.1 Calor de hidratación de los compuestos principales del cemento...33 Fig. 2.2 Resistencia de los componentes principales del cemento...34 Fig. 2.3 Aspectos a verificar en agregados Manufacturados...45 Fig. 2.4 Partículas de forma redondeada y cúbica...49 Fig. 3.1 Propiedades y partes involucradas en las principales fases de la vida del concreto...67 Fig. 3.2 Relación entre Densidad y Resistencia del Concreto...69 Fig. 4.1 (a) Equipo para Granulometría de la Arena...82 Fig. 4.1 (b) Equipo para Granulometría de la Arena...83 Fig. 4.2 Colocación del material para la granulometría de la Arena...83 Fig. 4.3 (a) División con líneas perpendiculares...84 Fig. 4.3 (b) Eliminación de los cuartos diagonales opuestos y limpieza de la zona...84 Fig. 4.4 Proceso de cernir el material a través de las mallas...85 Fig. 4.5 Cribado de la Arena a través de las mallas...85 Fig. 4.6 Peso de los retenidos de arena en cada malla...86 Fig. 4.7 Retenidos parciales de arena en porcentaje...86 Fig. 4.8 Equipo Para Granulometría de la Grava...88 Fig. 4.9 Cuarteo de la Muestra de Grava...89 Fig Cribado de la Grava a través de las mallas...89 Fig Retenidos de Grava en las Mallas...90 Fig Peso de cada muestra de Grava...90 Fig Equipo para la Granulometría de la Grava Triturada...92 Fig Muestra de Grava Triturada obtenida por cuarteo...93 Fig Cribado de Grava Triturada a través de las mallas...93 Fig Retenidos de Grava Triturada en cada malla...94 Fig (a) Equipo para prueba de perdida de finos por lavado...96 Fig (b) Equipo para prueba de perdida de finos por lavado...97 Fig Muestra obtenida por cuarteo

11 Fig Secado de la muestra en el horno...98 Fig Peso y saturado de la muestra...98 Fig Lavado minucioso de la muestra...99 Fig Secado del material en el horno...99 Fig Equipo para prueba de Absorción de la Arena Fig Material saturado en reposo Fig Secado de la muestra de arena bajo el sol Fig (a) Proceso de prueba de absorción de material con saturación media Fig (b) Proceso de prueba de absorción de material con saturación media Fig (a) Proceso de Absorción de material con saturación nula Fig (b) Proceso de Absorción de material con saturación nula Fig (a) Peso y secado de las muestras en el horno Fig (b) Peso y secado de las muestras en el horno Fig Equipo para prueba de absorción de la grava normal Fig Peso y saturación de la muestra de grava normal Fig Secado de la grava superficialmente Fig Secado de la grava normal en el horno Fig Equipo para prueba de absorción de la grava triturada Fig Peso y saturación de la muestra de grava triturada Fig Secado de la grava triturada superficialmente Fig Secado al horno y pesado de la grava triturada Fig Equipo para la prueba de la densidad de la arena Fig Aforo y preparación del equipo para la prueba de densidad de la arena Fig Peso de la arena superficialmente seca para prueba de densidad Fig Colocación de la muestra en el equipo y se elimina el aire atrapado Fig Se realiza la lectura del nivel obteniendo con esta el volumen de la muestra Fig (A) Equipo para la realización de la densidad relativa de la grava normal

12 Fig (A) Obtención de la muestra de grava por cuarteo y saturación de la misma Fig (A) Secado del material superficialmente de la grava normal Fig (A) Aforo del picnómetro evitando derrames Fig (A) Procedimiento de prueba de densidad de la grava Fig (A) Lectura del agua desalojada de la grava normal Fig (B) Probeta con nivel de agua hasta 500 ml Fig (B) Colocación de la grava normal en la probeta Fig (B) Lectura del nivel de agua total obtenido de la grava normal Fig (A) Equipo para la prueba de densidad de la grava triturada Fig (A) Proceso de cuarteo y cribado de la grava triturada por la malla 3/8 y saturación de la misma Fig (A) Secado del material superficialmente de la grava triturada Fig (A) Aforo del picnómetro evitando derrames Fig (A) Procedimiento de prueba de densidad de la grava Fig (A) Lectura del agua desalojada de la grava normal Fig (B) Probeta con nivel de agua hasta 500 ml Fig (B) Colocación de la grava triturada en la probeta Fig (B) Lectura del agua desalojada de la grava triturada Fig Equipo para la determinación del peso volumétrico compacto Fig Compactación en capas por varillado para el volumen compacto de la grava normal Fig Enrase del molde con la regla metálica Fig Peso del recipiente con el material Fig Compactación por varillado para el volumen compacto de la grava triturada Fig Enrase del molde con la regla metálica Fig Peso del recipiente con el material Fig Equipo necesario para elaborar la mezcla de concreto

13 Fig Limpieza del área de trabajo Fig Colocación de la Arena en la zona de trabajo Fig Colocación del Cemento sobre la arena y proceso de mezclado Fig Incorporación de la grava y mezclado uniforme Fig Agua agregada y mezcla uniforme final Fig Equipo para la prueba de Revenimiento Fig Cono de revenimiento humedecido y colocado en superficie plana Fig Llenado del cono en tres capas, sujetado de los apoyos Fig Llenado del cono, primera capa Fig Llenado del cono, segunda capa Fig Llenado del cono, tercera capa Fig Enrase y limpieza del material en la parte inferior del cono Fig Levantamiento cuidadoso del cono en dirección vertical Fig Lectura del revenimiento Fig Equipo para la Elaboración de especímenes de concreto Fig Aplicación de aceite en el interior del molde Fig Colocación del concreto en el molde metálico Fig Llenado del molde, primera capa Fig Llenado del molde, segunda capa Fig Llenado del molde, tercera capa Fig Expulsión de aire a través de golpeo con el mazo de hule Fig (a) Enrase y almacenamiento de cilindros de concreto para su endurecimiento Fig (b) Enrase y almacenamiento de cilindros para su endurecimiento Fig Descimbrado y preparación de los cilindros para su curado Fig Curado de cilindros en recipientes individuales Fig Dispositivo para cabeceo

14 Fig Recipiente para fundir el azufre Fig Equipo para el cabeceo de cilindros de concreto Fig Proceso de secado superficial de los especímenes Fig Medición de los diámetros y preparación de los especímenes Fig Preparación del Mortero de azufre para la aplicación a cilindros Fig Limpieza del equipo de cabeceo y colocación de aceite en el plato Fig Vertido del azufre en el plato de cabeceo Fig Colocación de cilindro y secado Fig Se retira el cilindro del equipo de cabeceo Fig Etapa final del cabeceo Fig Prensas Hidráulicas utilizadas Fig Carga hasta la falla de ruptura

15 INTRODUCCIÓN Influencia de la Morfologia de los Agregados en la Resistencia del Concreto Debido a la importancia del concreto en la industria de la construcción, es de vital importancia conocer sus propiedades físicas, químicas y mecánicas para entender mejor su comportamiento y producir mezclas de mejor calidad al menor costo. El concreto es un material heterogéneo que depende de numerosas variables, como lo es la calidad de cada uno de los materiales que lo componen, del método de diseño (Método ACI 211) para determinar las proporciones de los agregados y de las operaciones de mezclado, transporte, colocación y curado. Esto provoca que en un mismo concreto puedan existir variantes en sus propiedades mecánicas. Anteriormente, los agregados pétreos fueron considerados como materiales químicamente inertes, pero ahora se ha reconocido que algunos de los agregados son químicamente activos y ciertos agregados muestran enlaces químicos agregados en la interfaz del agregado y la pasta de cemento. El sólo hecho de que los agregados ocupan del 70 al 80% del volumen del concreto, su impacto en diversas características y propiedades del concreto es, sin duda, considerable. Es por ello que en el presente trabajo de investigación se pretende evaluar la influencia en las características del concreto en estado fresco y en estado endurecido, de la morfología de los agregados pétreos más comunes en la ciudad de Coatzacoalcos Veracruz siendo una guía para lograr una mejor comprensión del importante papel que los agregados desempeñan en el concreto. En función de esto, se realizaron ensayos comparativos entre el concreto con agregados redondeados (graba normal) y concreto con agregado triturado (piedra caliza), para lo cual se realizaron 108 especímenes cilíndricos de concreto de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura, curados por inmersión hasta la fecha de prueba; conservando la relación A/C para los diferentes diseños que se realizaron, y el tamaño máximo de los agregados de ¾, para un f c = 200 Kg/cm2, f c =

16 Kg/cm 2 y f c = 300 Kg/cm2, cabeceo con azufre y método ACI. El cemento utilizado corresponde a un Cemento Pórtland Extra 30R. Para los agregados triturados, es de forma irregular angular con presencia de polvo producto de la reducción de tamaño y densidad alta; para los cantos rodados, es de forma redondeada, con porcentajes de absorción similares y densidad menor. Se realizaron pruebas destructivas para determinar la influencia de la forma de los dos tipos de agregados en la resistencia. Las pruebas destructivas a los especímenes fueron: compresión, f c, con el cual se obtuvo la carga de ruptura, en base a los resultados obtenidos de las pruebas se demostró que la mezcla de agregado triturado produjo una mayor resistencia a la compresión; en cambio, la mezcla de agregados redondeados, arrojo bajos resultados de resistencia a la compresión. Es de resaltar que existen variables en los agregados que no están incluidas en el diseño de las mezclas, y que podrían afectar en gran medida las propiedades mecánicas del concreto. Una de ellas, la morfología. 14

17 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Enunciado del Problema El esfuerzo que el concreto puede resistir como material compuesto está determinado principalmente, por las características del mortero (mezcla de cemento, arena y agua), de los agregados gruesos y de la interface entre estos dos componentes. Debido a lo anterior, morteros con diferentes calidades y agregados gruesos con diferentes características (forma, textura, mineralogía, resistencia, etc.) pueden producir concretos de distintas resistencias. (Özturan y Çeçen 1997) [Revista de Ingeniería UADY/Cerón M. (1996)]. Los agregados son un componente dinámico dentro de la mezcla, aunque la variación en sus características puede ocurrir también durante los procesos de explotación, manejo y transporte. Y puesto que forman la mayor parte del volumen del material, se consideran componentes críticos en el concreto y tienen un efecto significativo en el comportamiento de las estructuras. (Chan, 1993) [Revista de Ingeniería UADY/Cerón M. (1996)]. Existen distintos tipos de agregados, los agregados que se forman a partir de materiales naturales, aquellos que son hechos a partir de desechos y los agregados que se hacen mediante la desfragmentación deliberada de la roca, es decir los artificiales que son aquellos que se fabrican con productos industriales. Las impurezas o las pequeñas cantidades de minerales o rocas pueden tener una influencia grande en la calidad del agregado pero en el caso de los agregados triturados, los cuales se abordaran en este trabajo, es conveniente considerar la influencia de los métodos de fabricación y del procesamiento (trituración). [Tecnología del Concreto, Adam Neville]. 15

18 Definición del Problema Básicamente, el principal problema al que nos enfrentamos son las características que cada agregado tendrá, la calidad y la economía son temas que jugaran gran importancia debido a que, se pretende demostrar que los agregados triturados le aportan mayor resistencia al concreto pero que también representan una gran desventaja porque el utilizarlos conlleva a la necesidad de invertir más dinero durante su fabricación. 16

19 OBJETIVOS Objetivo General Influencia de la Morfologia de los Agregados en la Resistencia del Concreto Demostrar que la morfología de dos agregados pétreos diferentes y del banco de materiales Agustín Morales Gordillo obtenidos en la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz; definen e influyen de manera considerable la resistencia del concreto, lo cual pretende demostrarse mediante la elaboración de muestras de concreto, cilindros de 15 cm x 30 cm y someterlas a pruebas de compresión en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Veracruzana. Objetivos Específicos Diseñar y elaborar mezclas de concreto con dos diferentes tipos de agregados, Agregado natural y Agregado triturado; conservando la constante relación agua/cemento, el tamaño máximo de los agregados y la resistencia del proyecto para todas las mezclas. Realizar pruebas de control de calidad a los dos diferentes tipos de agregados, además de elaborar un análisis comparativo con las normas vigentes y analizar con métodos estadísticos el impacto de los agregados en el concreto. Efectuar pruebas de ensayes en el laboratorio que permitan conocer el comportamiento del concreto en estado fresco y en estado endurecido. 17

20 JUSTIFICACIÓN Influencia de la Morfologia de los Agregados en la Resistencia del Concreto El concreto, se produce a partir de un diseño de mezcla que consiste en la selección de los constituyentes disponibles, es decir cemento, agregados, agua y aditivos, y su dosificación en cantidades relativas para producir, tan económicamente como sea posible, una masa volumétrica con el grado requerido de manejabilidad, que al endurecer a la velocidad apropiada adquiera las propiedades de resistencia, durabilidad, estabilidad de volumen y apariencia adecuadas. [Tecnología y propiedades, Instituto del Concreto]. Porque al menos tres cuartas partes del volumen del concreto están ocupadas por agregado, no es de extrañar que la calidad de este sea de suma importancia. Los agregados no solo pueden limitar la resistencia del concreto, puesto que agregados débiles no pueden constituir un concreto resistente, sino que además sus propiedades afectan en gran medida tanto la durabilidad como el comportamiento estructural del concreto. Los agregados son más baratos que el cemento y, por lo tanto, es más económico poner la mayor cantidad posible de agregados y la menor de cemento. No obstante, la economía no es la única razón para utilizar agregados; estos proporcionan además al concreto una enorme ventaja técnica, al darle mayor estabilidad volumétrica y más durabilidad que si se empleara solamente pasta de cemento. [Tecnología del Concreto, Adam Neville]. La necesidad de contar con un concreto de calidad hace indispensable conocer a detalle sus componentes, ya que tanto la resistencia como la durabilidad dependen de las propiedades físicas y químicas de ellos, especialmente de los agregados. Sin embargo, uno de los problemas que generalmente encuentran los ingenieros y los constructores al emplear el concreto, es la poca verificación de las características de los agregados pétreos que utilizan lo que propicia con cierta frecuencia resultados diferentes a los esperados. [Revista de Ingeniería UADY/Cerón M. (1996)]. 18

21 ALCANCE Y LIMITACIONES El presente proyecto conto con 6 meses para su elaboración, desde los procedimientos de prueba para los agregados hasta su redacción. Los materiales elegidos para la realización de las pruebas y realización de los especímenes se obtuvieron del banco de materiales Agustín Morales Gordillo S.A. de C.V. de la ciudad de Coatzacoalcos Veracruz; ya que satisface las necesidades de sus clientes por vender productos para la construcción de buena calidad, precios y servicios accesibles, por ser una empresa industrial y manufacturera que se dedica a la extracción de agregados (arena, grava y gravilla) y a la producción de blocks y arena sílica. Otra limitante fue la falta de equipo debido a que se pudieron haber realizado más pruebas para enriquecer este proyecto y hacerlo más detallado; se hicieron solo las más importantes las cuales le aportan lo necesario para la comprobación de nuestra hipótesis. HIPÓTESIS El agregado triturado por su forma y textura, aporta mayor resistencia al concreto en las pruebas de compresión de especímenes de 15 x 30 cm, estos agregados son de alta calidad debido al banco de materiales reconocido en la región. La roca triturada produce una adherencia superior comparado con la grava de canto rodado. 19

22 MARCO DE REFERENCIA Los agregados son el mayor constituyente del concreto, generalmente componen más del 70% del material en un metro cúbico de concreto y son los que hacen que este sea un material económico de construcción. Para la selección de materiales se debe tener en cuenta sus propiedades tales como la mineralogía o las condiciones físicas de sus partículas, como la distribución de tamaños, la forma y textura. [Tecnología y Propiedades, Instituto del Concreto]. Desde el punto de vista económico, en el proporcionamiento del concreto durante la relación agua/cemento, los agregados redondeados son preferibles a los agregados angulares ya que la utilización de estos últimos requiere cemento adicional que ocasiona que los costos sean más elevados; aunque este aditamento es compensado en cierta medida por las resistencias superiores que los agregados le ofrecen al concreto ya que genera una mayor durabilidad y uniones más fuertes entre el cemento y los agregados. El abastecimiento de los materiales debe ser localizado a una distancia razonable del sitio de trabajo para su selección, hay que tener en cuenta que las propiedades de los agregados difieren de un distribuidor a otro. Cada proveedor tiene variaciones en sus materiales; si bien en la forma, la textura, la distribución de tamaños o en la mineralogía de los componentes. Es de vital importancia conocer, verificar y tener en cuenta la calidad de los agregados en la ciudad de Coatzacoalcos Veracruz, debido a la demanda y actual crecimiento en la industria de la construcción y del importante desarrollo económico derivado de las importantes empresas nacionales y extranjeras instaladas en los alrededores. 20

23 CACAPÍTULO 1. ANTECEDENTES 21

24 CAPITULO I. ANTECEDENTES HISTÓRICOS Debido a la importancia de concreto hidráulico en la construcción y considerando que en nuestro país es uno de los materiales más usados actualmente para la construcción de diversas obras de ingeniería, y que cada día son más los constructores, contratistas e ingenieros que requieren este material, es de vital importancia conocer sus propiedades físicas, químicas y mecánicas para entender mejor su comportamiento y producir mezclas de mejor calidad al menor costo. El concreto es un material heterogéneo y depende de numerosas variables, como lo es la calidad de cada uno de los materiales que lo componen, del método de diseño para determinar las proporciones de los agregados y del mezclado, trasporte, colocación y curado. Anteriormente, los agregados pétreos fueron considerados materiales químicamente inertes, pero ahora se ha reconocido que algunos de los agregados son químicamente activos y ciertos agregados muestran enlaces químicos agregados en la interfaz del agregado y la pasta de cemento. El sólo hecho de que los agregados ocupan del 70 al 80% del volumen del concreto, su impacto en diversas características y propiedades del concreto es, sin duda, considerable. Los agregados son un componente dinámico dentro de la mezcla de concreto aunque la variación en sus características puede ocurrir también durante los procesos de explotación manejo y transporte, y puesto que forman la mayor parte del volumen del material, se consideran componentes críticos en el concreto y tienen un efecto significativo en el comportamiento de las estructuras. Es por ello que en el presente trabajo de investigación se pretende exponer el uso de dos diferentes agregados, grava de uso normal y grava triturada, teniendo en consideración las características de cada agregado obtenidas a través de pruebas de laboratorio comunes, tales como densidad, absorción, granulometría las cuales serán de vital importancia para el diseño de mezcla. 22

25 Los métodos y procedimientos que permitirán evaluar la influencia de la morfología de los agregados pétreos disponibles en la región de Coatzacoalcos, Veracruz se expresan en los diferentes capítulos de esta investigación; desde las pruebas más sencillas realizadas a los agregados, grava, grava triturada y arena, así como del diseño de mezcla a partir de los valores arrojados conllevando así a la realización de los cilindros de concreto. En base a la carga axial aplicada a dichos cilindros se pretende observar y evaluar la resistencia que arroja debido a la carga soportada en conjunto con el área de cada cilindro lo cual servirá de guía para lograr una mejor comprensión del importante papel que los agregados desempeñan en el concreto; así como los efectos que los procesos de mezclado, curado y transporte tienen sobre el concreto. 23

26 CACAPÍTULO 2. MATERIALES 24

27 CAPITULO II. MATERIALES 2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS. Es posible que el uso del concreto se remonte al inicio de la civilización cuando el hombre se vio en la necesidad de construir una estructura simple, un espacio que le sirviera de protección, constituido por arcilla o una mezcla de cal y arena para unir las piedras. No hay una manera de determinar la primera vez que se utilizó un material aglomerante, sin embargo, hay vestigios que indican que la obra de concreto más antigua fue construida alrededor de los años 5600 A.C. en las riberas del rio Danubio en Yugoslavia. El empleo de materiales cementantes es muy antiguo, los egipcios ya utilizaban yeso impuro calcinado, los griegos y los romanos utilizaban caliza calcinada y, posteriormente, aprendieron a mezclar cal con agua, arena y piedra triturada o ladrillo y tejas quebradas este fue el primer concreto de la historia. Un mortero de cal no endurece bajo el agua; por lo tanto, para construcciones sumergidas en agua, los romanos mezclaban cal con ceniza volcánica o con tejas de arcilla quemada, finamente trituradas. La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas y en las tejas se combinaban con la cal para producir lo que se conoce como cemento puzolanico, proveniente del nombre del pueblo de Pozzuoli, cerca del Vesubio, donde se encontró por primera vez ceniza volcánica. El nombre de cemento puzolanico se utiliza hasta nuestros días para describir cementos obtenidos simplemente de moler materiales naturales a temperatura normal. Algunas de las estructuras romanas en las cuales la mampostería se unió con morteros, tales como el Coliseo en Roma y el Pont du Gard, cerca de Nîmes, y estructuras de concreto tal como el Phanteon en Roma han sobrevivido hasta esta época, con su material cementante aun duro y firme. En las ruinas de Pompeya, a 25

28 menudo el mortero se encuentra menos dañado por la intemperie que la piedra blanda. En la Edad Media hubo una disminución general en la calidad y el uso del cemento, y solo en el siglo XVIII se observó un progreso en el conocimiento de los cementos. En 1756, John Smeaton fue comisionado para reconstruir el faro del Eddystone, en la costa de Cornish, Inglaterra, y descubrió que el mejor mortero se obtenía cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad de material arcilloso. Al darse cuenta del importante papel de la arcilla, que hasta entonces no se consideraba conveniente, Smeaton fue el primero en conocer las propiedades químicas de la cal hidráulica, un material que se obtiene al quemar una mezcla de cal y arcilla. A partir de esto, se desarrollaron otros tipos de cementos hidráulicos, tal como el cemento romano que obtuvo James Parker por calcinación de nódulos de caliza arcillosa, que vinieron a culminar en la patente del Cemento Portland que obtuvo en 1824 Joseph Aspdin, un ladrillero, albañil y constructor de Leeds. El prototipo de cemento moderno lo obtuvo en 1845 Isaac Johnson, quien quemó una mezcla de arcilla y caliza hasta formar Clinker, con lo cual se produjo la reacción necesaria para la formación de un compuesto cementante. El nombre del cemento Portland, concebido originalmente debido a la semejanza de color y calidad entre el cemento endurecido y la piedra de portland se ha conservado en todo el mundo hasta nuestros días. [Tecnología del Concreto, Adam Neville] 2.2 COMPONENTES DEL CONCRETO Aspectos Fundamentales del Concreto El concreto es un material artificial, obtenido de la mezcla en proporciones determinadas, de cemento, agregados pétreos, agua y aditivos en algunos casos. El cemento, el agua y algunas veces el aire atrapado forma una pasta que rodea a los agregados, constituyendo un material heterogéneo, temporalmente plástico que 26

29 puede colocarse y moldearse y, más tarde se convierte en una masa sólida por la reacción química del cemento y el agua. Ordinariamente, la pasta de cemento y agua constituyen del 25 al 40% del volumen total del concreto. El volumen absoluto de cemento está comprendido usualmente entre el 7 y 15%, el agua del 14 al 21% y el agregado constituye aproximadamente del 60 al 80% del volumen total de este. Según diversas fuentes, el concreto se puede definir de la forma siguiente: El concreto puede ser definido como la mezcla de un material aglutinante (normalmente cemento Portland Hidráulico), un material de relleno (agregados), agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse forma un sólido compacto y después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión [Instituto del Concreto, 1997]. El concreto es una roca artificial hecha por el hombre. Está elaborado con cemento, agregados pétreos grueso y fino, agua y en ocasiones aditivos [Martínez, 2007]. De esta manera se llega a la conclusión de que el concreto es una roca artificial hecha por hombre que después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión y está elaborado con cemento, agregados gruesos y finos, agua y en ocasiones aditivos Cemento El cemento es un material aglutinante que presenta propiedades de adherencia y cohesión, que permiten la unión de fragmentos minerales entre sí, formando un todo compacto. En la construcción, se ha generalizado la utilización de la palabra cemento para designar un tipo de aglutinante específico que se denomina Cemento Portland, debido a que es el más común. El Cemento Portland es la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales que contienen sílice, alúmina u óxidos de hierro, procesados a altas temperaturas y mezclados con yeso. El nombre obedece a la similitud en el aspecto 27

30 del cemento endurecido con una piedra que abunda en Portland, Inglaterra. Fue presentado en 1824 por Joseph Aspdin con un proceso que fue perfeccionado algunos años más tarde por Isaac Johnson. Este material tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia del agua, presentándose un proceso de reacción química que se conoce como hidratación Proceso de Fabricación En general el cemento Portland se fabrica a partir de materiales minerales calcáreos tales como la caliza y materiales arcillosos con alto contenido de alúmina y sílice. Frecuentemente es necesario adicionar otros productos, como óxido de hierro, para mejorar la composición química de las materias primas principales. El proceso de fabricación empleado en determinada planta productora de cemento varía de acuerdo con sus circunstancias particulares, pero en general todas realizan las siguientes etapas: Explotación de materias primas. Dosificación, molienda y homogenización de materias primas. Clinkerización. Enfriamiento. Molienda de Clinker, adiciones y yeso. Empaque y distribución. 1. Explotación de materias primas. Este procedimiento se hace de acuerdo a las normas y parámetros convencionales. Dependiendo de la dureza de los materiales se usan explosivos y trituración posterior, en otros casos el simple arrastre es suficiente. Una vez extraídos los materiales de las respectivas canteras, se lleva a un proceso de trituración primaria para obtener tamaños máximos de 25 mm (1 ). Los materiales que no requieren de esta trituración se lleva a un lugar de almacenamiento. 28

31 2. Dosificación, molienda y homogenización. Este paso se puede efectuar con materiales suspendidos en agua, con los materiales secos o con distintos grados de humedad: Proceso Húmedo: Las materias primas se llevan a los molinos, donde son mojados y se obtiene una lechada, la cual se lleva a silos de almacenamiento donde una vez conocidas sus características químicas se dosifican en proporciones definidas y se envían a un silo de normalización. En este lugar se hacen las correcciones necesarias para obtener la pasta de la calidad deseada. Una vez normalizada se transporta a un tanque circular denominado balsa donde se almacena y se mantiene la homogeneidad. Proceso Seco: Las materias primas se trituran, se dosifican en proporciones definidas y son llevadas al molino de crudo donde se secan y reducen su tamaño a pequeñas partículas, obteniéndose un material denominado harina, el cual se lleva a los silos de homogenización, y allí por medio de aire o presión de obtiene la mezcla de los materiales. 3. Clinkerización. Una vez obtenida la pasta en el proceso por vía húmeda y la harina en el proceso por vía seca se someten a un tratamiento térmico en grandes hornos rotatorios. El horno es un cilindro de acero de gran tamaño recubierto de material refractario para conservar mejor el calor. El diámetro generalmente es mayor a 4 mts y las longitudes oscilan entre 60 y 150 mts. Se construyen con una ligera inclinación para que el material fluya lentamente. En la zona solida del material, se colocan los quemadores que producen la llama para calentar el horno, estos trabajan con diferentes tipos de combustibles. 4. Enfriamiento. El material transformado en Clinker debe ser enfriado rápidamente a 70 C para garantizar que el cemento fabricado, después de fraguado, no presente cambio de volumen. 29

32 5. Molienda de Clinker, adiciones y yeso. Durante este proceso se transforma el Clinker en polvo y se agregan las adiciones. Luego se introduce el yeso y así se hace el cemento propiamente dicho. El yeso es indispensable para controlar el endurecimiento del cemento una vez entra en contacto con el agua, porque cuando su cantidad es muy baja, el endurecimiento puede ocurrir de manera instantánea. 6. Empaque y distribución. El cemento resultante del molino se transporta en forma mecánica o neumática a silos de almacenamiento y posteriormente se empaca en bultos. También se puede descargar directamente en carros cisternas para su distribución a granel Propiedades del Cemento Portland En la actualidad la tecnología ha permitido contar con distintas clases de cemento, las cuales han sido diseñadas para proporcionar propiedades adecuadas para la producción de los diferentes tipos de concreto. Estas propiedades físicas, químicas y mecánicas dependen del estado en el cual se encuentren y el conocimiento de dichas propiedades es fundamental para poder interpretar los resultados de las pruebas que se realizaran al concreto Propiedades Químicas El proceso del cemento involucra la transformación de las materias primas a productos más complejos, por medio de reacciones en estado sólido. La química del cemento emplea un modelo basado en abreviaturas para las formulas químicas de los óxidos más frecuentes. Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se convierte en un líquido pastoso, que al enfriarse dan origen a sustancias cristalinas. El Óxido de Calcio (CaO), Dióxido de Sílice (SiO2), Óxido de Aluminio (Al2O3) y Óxido de Hierro (Fe2O3) son los óxidos a partir de los cuales se forman los cuatro compuestos principales del cemento. 30

33 Tabla 2.1 Componentes principales del Cemento Nombre Composición Abreviatura Silicato Tricálcico 3CaO.SiO2 C3S Silicato Dicálcico 2CaO.SiO2 C2S Aluminato Tricálcico 3CaOSiO C3A Aluminoferrito Tetracálcico 4CaO.Al2O3Fe2O3 C4AF Estos compuestos se presentan en diferentes fases con algunas impurezas, por lo cual no podrían llamarse propiamente verdaderos compuestos en el sentido químico; pero sus proporciones revelan valiosa información en cuanto a las propiedades del cemento. Estas fases son: Alita, con alto contenido de C3S: Es la fase principal de la mayoría de los clinkers Portland y de ella dependen en buena parte las características de desarrollo de resistencia mecánica. Reacciona rápidamente con el agua, endurece en corto tiempo y tiene alto calor de hidratación, de tal manera, que afecta el tiempo de fraguado y la resistencia inicial. Belita, a base de C2S: Es la segunda fase en importancia del Clinker. Su componente principal (C2S), reacciona lentamente con el agua, con un consecuente bajo calor de hidratación y una contribución al desarrollo de la resistencia a partir de siete días. La fase Alita y Belita, determinan decisivamente el desarrollo de la resistencia y difieren entre sí en su tasa de endurecimiento y de liberación de calor de hidratación. El contenido de estas dos, suman aproximadamente de 70 a 80% del cemento. Aluminato, rico en C3A: No es un compuesto puro sino que es una solución sólida de C3A con algo de impurezas de SiO2 y MgO que reacciona de manera 31

34 rápida con el agua, contribuye con calor alto de hidratación y una alta resistencia inicial. Además, confiere al concreto, propiedades indeseables, como cambios volumétricos y poca resistencia a la acción de los sulfatos razón por la cual su contenido se limita entre 5 y 15% según el tipo de cemento. Ferrito, C4AF solución solida compuesta por ferritos y aluminatos de calcio: Este componente está presente en pequeñas cantidades en el cemento y en comparación con los otros tres componentes, no influye en forma significativa en su comportamiento, colaborando escasamente en la resistencia del concreto, siendo relativamente inactivo, pero es útil al facilitar la fusión durante el calcinamiento del Clinker. Las cantidades efectivas de los diferentes tipos de compuestos varían considerablemente de un cemento a otro y realmente es posible obtener distintas clases de él, agregando en forma proporcional los materiales correspondientes. En el cuadro siguiente se enlistan algunos valores típicos de la composición de los distintos tipos de cemento. En la figura se muestra esquemáticamente la forma en que contribuyen los componentes principales del cemento en el calor de hidratación y en la figura posterior la resistencia a la compresión. Tabla 2.2 Valores típicos de los compuestos de los diferentes tipos de cemento portland Cemento Composición química en % Portland C3S C2S C3A C4AF Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V

35 Según Neville, puede decirse que todos y cada uno de los componentes del cemento contribuyen de una u otra forma a la resistencia pues es claro que todos los productos de hidratación llenan espacios, reduciendo con ellos la porosidad del cemento. Hidratación del Cemento: La reacción mediante la cual el Cemento Portland se transforma en un agente de enlace, se genera por los procesos químicos responsables de la formación de compuestos durante la hidratación, los cuales originan propiedades mecánicas útiles en aplicaciones estructurales. Calor de Hidratación: Durante el proceso de hidratación; se efectúan reacciones químicas exotérmicas, es decir reacciones que liberan calor, haciendo que los concretos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura. Este incremento es importante en estructuras de concreto, ya que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso de la temperatura, se origina contracción del material, que puede conducir a la formación de grietas y fisuras. El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. Depende de la composición del cemento y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los compuestos individuales. El C3A y el C3S son los compuestos responsables del elevado desarrollo de calor. Fig. 2.1 Calor de hidratación de los compuestos principales del cemento 33

36 Fig. 2.2 Resistencia de los componentes principales del cemento Propiedades Físicas y Mecánicas Las propiedades físicas más importantes del cemento son: Finura. La finura del cemento interviene en forma determinante en la resistencia y en la hidratación de este. Al aumentar la finura del cemento aumenta la rapidez a la que se hidrata el cemento, acelerando la adquisición de resistencia. Los efectos del aumento de finura en la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros 7 días. Al aumentar la finura el agua necesaria para obtener un concreto con un cierto rendimiento disminuye hasta alcanzar los elevados grados de finura del tipo III o de rápido endurecimiento. Por otro lado, moler las partículas del cemento hasta obtener mayor finura representa un costo considerable; además, cuanto más fino sea un cemento, se deteriora con mayor rapidez por la atmósfera, los cementos más finos desarrollan una reacción más fuerte con los agregados reactivos alcalinos y forman una pasta, aunque no necesariamente de concreto con mayor contracción y más susceptibilidad al agrietamiento. Sin embargo, un cemento fino sangra menos que uno más grueso. 34

37 Sanidad. Sanidad es la propiedad que tiene una pasta de cemento fraguado a permanecer con un volumen constante. Es esencial que la pasta de cemento, una vez que ha fraguado, no sufra gran cambio en su volumen. En particular no debe de haber expansión apreciable, la cual, en condiciones de esfuerzo, podría ocasionar un rompimiento de la pasta de cemento endurecida. Tal expansión puede tener lugar debido a una hidratación retardada o lenta o a otra reacción de algún compuesto presente en el cemento endurecido, particularmente la cal libre, la magnesita o el sulfato de calcio. Tiempo de Fraguado. Considerando que el fraguado es el proceso mediante el cual una pasta de cemento pasa del estado fluido al estado sólido, el proceso ha sido dividido en dos etapas: fraguado inicial y fraguado final para su correcto estudio. Los tiempos de fraguado inicial y final según la norma NOM-C son no menos de 45 minutos y no más de 8 horas respectivamente para cementos del tipo I al V. Falso Fraguado. Este fenómeno se presenta pocos minutos después de que el cemento ha hecho contacto con el agua. Consiste en el endurecimiento casi inmediato, es decir antes del tiempo normal de fraguado de la mezcla. La causa del fraguado falso se origina cuando se deshidrata el yeso contenido en el cemento; esta deshidratación ocurre en los molinos donde el Clinker y el yeso se muelen conjuntamente para obtener el cemento. Al presentarse el fraguado falso, es recomendable dejar reposar la mezcla durante 5 minutos y remezclarla nuevamente por espacio de 4 minutos sin adición de agua y la pasta volverá a ser plástica a diferencia del fraguado instantáneo. El fraguado instantáneo es el desarrollo rápido de la rigidez de la pasta de cemento, mortero o concreto, generalmente con la producción de considerable calor y cuya rigidez no puede ser destruida ni volverse plástica por medio de mezclado posterior sin la adición de agua. 35