INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN LABORATORIO DE CONCRETO (CO-3404) GRUPO 03

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN LABORATORIO DE CONCRETO (CO-3404) GRUPO 03 PROF: Rommel Lezing Cuevas Kauffman Tiempo de fraguado Allan Sánchez Vargas Roberto Cubillo Álvarez Elmer Raúl Jaén Marín Febrero

2 Objetivos Objetivo General Determinar el tiempo de fraguado inicial y final con los datos obtenidos de cuatro muestras diferentes con el aparato Vicat, según la norma ASTM C191. Objetivos Específicos Determinar el tiempo de fraguado inicial de una pasta de concreto a partir de varias muestras realizadas a diferentes horas antes de iniciar las lecturas con el aparato Vicat. determinar el tiempo de fraguado final a partir de varias muestras realizadas a diferentes horas antes de iniciar las lecturas con el aparato Vicat. Cumplir las especificaciones pedidas por la norma ASTM C-191 para obtener dichos tiempos. Conocer las características y comportamientos de cada una de las etapas del fraguado. Obtener mayor conocimiento sobre el fraguado y así entender su importancia en la preparación de mezclas de concreto. 2

3 Marco Teórico Fraguado y endurecimiento 1 : El fraguado se refiere al paso en una pasta o mezcla, del estado fluido al rígido, esto suele malinterpretarse con el endurecimiento que es solo la ganancia de resistencia de la pasta. Vemos dos tiempos de fraguados en el proceso en general: Fraguado inicial: Tiempo que pasa desde que el cemento entra en contacto con el agua hasta que pierde fluidez y deja de ser plástica. Fraguado final: Desde que termina el fraguado inicial hasta que comienza a ganar cierta resistencia (endurecimiento). Cuando el cemento entra en contacto con el agua inician las reacciones químicas en las cuales el cemento se transforma en un enlazante, en otras palabras con el paso del tiempo producen una masa firme y dura que envuelve a los componentes de la mezcla y los mantiene juntos 2. Algunos factores que se ven involucrados en los tiempos de fragua son: Relación de agua/cemento: entre más liquida sea la pasta mas tardará el tiempo de fraguado pues es muy fluida y tardará su tiempo en perder esa fluidez. Temperatura ambiente: entre más alta sea la temperatura más rápido se secará el agua de la pasta y perderá el componente que le da fluidez. Humedad relativa: si la saturación de humedad es baja, el ambiente intentará quitarle humedad a la pasta y se secará más rápido. Finura del cemento: el grado de finura afecta de manera que se necesita más agua para hidratar todas las partículas. El método para determinar los tiempos de fragua se explicará en la sección de procedimientos de este informe. 1 Araya, M. Cartago, Costa Rica: Compendio de Material para el curso Concreto, Instituto Tecnológico de Costa Rica Araya, M. Cartago, Costa Rica: Compendio de Material para el curso Concreto, Instituto Tecnológico de Costa Rica

4 Fenómenos en el fraguado 3 : Es posible que se den 2 tipos diferentes de fenómenos durante el proceso de fraguado: Fraguado relámpago: hay fraguado relámpago cuando la mezcla se vuelve rígida de manera muy rápida perdiendo toda su plasticidad sin poder recuperarla, esto se da debida a una deficiencia de yeso en la mezcla de cemento Fraguado falso: la pasta se vuelve rígida en los primeros 10 minutos después de mezclado pero no pierde plasticidad, puede volver a ser fluida solo con batirla sin añadir agua aunque puede perder un poco de la resistencia final, esto se produce posiblemente por malas condiciones de almacenamiento o la mezcla del yeso con clinker caliente en la elaboración del cemento. Hay diferentes tipos de concreto con diferentes tiempos de fraguado, como podemos ver en el siguiente gráfico: Gráfico N 1. Tiempo de fraguado por tipo de cemento 4. 3 Araya, M. Cartago, Costa Rica: Compendio de Material para el curso Concreto, Instituto Tecnológico de Costa Rica Portland Cement Association, Instituto Mexicano de Cemento y Concreto A.C., Diseño y control de mezclas de concreto,

5 El comportamiento del tiempo de fraguado se debe a que cada tipo distinto de cemento tiene distintos componentes en distintas proporciones que regulan el tiempo de fragua de manera distinta. La hidratación del cemento es la reacción mediante la cual el cemento se transforma en un agente de enlace. La presencia, agua, silicatos y aluminatos forman productos de hidratación, que con el paso del tiempo producen una masa firme y dura que se conoce como pasta de cemento hidratada. Proceso de hidratación de cementos Portland 5 : Primera etapa: se caracteriza por la formación de hidróxidos de calcio y de estringita a temperatura ambiente; esta etapa ocurre inmediatamente después del inicio del amasado (3 a 10 min). Segunda etapa: Inicia una hora después con la formación de pequeñísimos cristales con tubosidades de silicato de calcio hidratado (tobermorita). La tobermorita y la estringita crecen en forma de tubificación y se subdividen cada vez más de este modo, formando entrecruzamientos de microcristales fibrosos y aciculares lo cual da lugar a la estructura básica. Esta segunda etapa tiene una duración de hasta 24 horas y es de suma importancia para el desarrollo de la resistencia mecánica. Al terminar la segunda etapa se concluye la formación de la estringita, ya que después de 24 horas se ha consumido todo el yeso en condiciones normales. Tercera etapa: se extiende hasta la hidratación total y los poros existentes se llenan con los productos de la hidratación que se producen en cada caso y, como consecuencia, se aumenta la capacidad de la estructura. 5 Araya, M. Cartago, Costa Rica: Compendio de Material para el curso Concreto, Instituto Tecnológico de Costa Rica

6 Descripción de equipo. Las figuras se podrán encontrar en la sección anexos. Cuadro 1. Características del equipo utilizado en el ensayo. Cantidad Instrumento Descripción 1 Balanza digital Con una capacidad de 0,1g. Ver figura #2 1 Mezclador mecánico 1 Cono truncado de hule duro Con una velocidad baja de 140±5 rpm y una velocidad media de 285±10 rpm. Ver figura #3 Con diámetros mayor y menor de 70 y 60mm, respectivamente, con una altura de 40mm.Ver figura #1 1 Probeta Con una capacidad de 250cm 3.Ver figura #6 1 Aparato de Ver figura #1 y #4 vicat 1 Cámara húmeda Ver figura #7 1 Medidor de humedad relativa y temperatura 1 Cronómetro 1 Base de vidrio Otros elementos Guantes, recipientes, cucharas, espátula, termómetro. 6

7 Procedimiento: 1. Formar una pasta de cemento hidráulico con consistencia normal según la norma ASTM C-187 y registrar la hora de mezclado. 2. Llevar la pasta a la cámara húmeda. En el caso de los cementos producidos en Costa Rica, se puede dar un reposo en la cámara húmeda de 120 minutos ya que es probable que antes de dicho tiempo la penetración pueda ser total. 3. Retirar la pasta de la cámara, colóquela debajo del aparato de Vicat. 4. Colocar la aguja sobre la superficie de la pasta de cemento, fijar el indicador y tomar una lectura inicial. Liberar la aguja rápidamente y determinar la lectura final al transcurrir 30 s. 5. Realizar cada penetración a 6,4 mm de la anterior y a 9,5 mm del borde. 6. Anotar los resultados de todas las pruebas de penetración (tiempo transcurrido desde la mezcla y la penetración para cada tiempo) y determine por interpolación el tiempo para cuando la penetración es de 25 mm según la fórmula en la sección de cálculos. 7. Determinar el tiempo de fraguado final al observar que la penetración de la aguja no produce ninguna impresión en la pasta. 8. Realizar dos penetraciones adicionales para verificar dicho resultado. 9. Una vez terminada la prueba retorne la pasta a la cámara húmeda hasta la siguiente prueba. 10. Cada grupo tendrá asignada una muestra elaborada a una hora diferente de manera que cada grupo obtenga los datos de una parte del gráfico que se debe obtener luego. 7

8 Datos Obtenidos Cuadro 2. Datos Experimentales Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Hora Inicio 10:45 am 11:19 am 11:52 am 12:27 pm Lectura Tiempo (±0,5) min Penetración (±0,05) mm Tiempo (±0,5) min Penetración (±0,05) mm Tiempo (±0,5) min Penetración (±0,05) mm Tiempo (±0,5) min Penetración (±0,05) mm , , , > , > , , , , , ,5 Promedio 218,5 0, ,5 120,9 21,4 Desv. Stan. (min) 15,41 5,66 11,14 8,38 8

9 Cuadro 3. Datos necesarios para la interpolación Tiempo (min) penetración (mm) Mayor Penetración ,00 Menor Penetración ,00 Lecturas relacionadas con la toma de datos del Cuadro 3 Hora inicio Cuadro 4. Tiempo de prueba 1 Hora de prueba Tiempo Transcurrido (min) 11:52 am 02:10 pm 138 Cuadro 5. Condiciones ambientales y de la Cámara Húmeda de la prueba 1. Condición ambiental Cámara húmeda Temperatura ( C) 26,0 19,1 Humedad Relativa (%) 47,5 105,3 Cuadro 6. Determinación de la penetración de la prueba 1. Medidas Inicial Final Penetración Promedio 1 17,5 22 4,5 6, Hora inicio Cuadro 7. Tiempo de prueba 2. Hora de prueba Tiempo Transcurrido (min) 11:52 am 02:29 pm 152 9

10 Cuadro 8. Condiciones ambientales y de la Cámara Húmeda de la prueba2. Condición ambiental Cámara húmeda Temperatura ( C) 26,0 19,1 Humedad Relativa (%) 49,7 104,8 Cuadro 9. Determinación de la penetración de la prueba 2. Medidas Inicial Final Penetración Promedio 1 17, ,5 23,5 6 Cuadro 10. Tiempo de prueba 3. Hora inicio Hora de prueba Tiempo Transcurrido (min) 11:52 am 02:32 pm 160 Cuadro 11. Condiciones ambientales y de la Cámara Húmeda de la prueba 3. Condición ambiental Cámara húmeda Temperatura ( C) 25,7 19,3 Humedad Relativa(%) 51,5 104,8 Cuadro 12. Determinación de la penetración de la prueba 3. Medidas Inicial Final Penetración Promedio 1 17,5 20,5 3 3, ,5 21,0 3,5 10

11 Datos en conjunto Cuadro 13. Datos colectivos de la penetración con respecto al tiempo Tiempo (±0,5 min) Penetración (±0,5 mm) 103 >32, >32, , , , , , , , , , , , , , , , ,00 Cuadro 14. Promedio de tiempo vs promedio de penetración (por grupo) Tiempo Penetración 120,9 21,4 150,0 5,5 170,0 3,0 218,5 0,8 11

12 Penetración (mm) Penetración (mm) Gráficas: Gráfico N 2 30,00 Comportamiento de los datos experimentales 25,00 20,00 15,00 Datos experimentales 10,00 5,00 0, Tiempo (min) Fuente: Cuadro 13. Gráfico N 3 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Datos para interpolación Tiempo (min) y = -1,1818x + 165,09 R² = 1 Datos para interpolación Linea de interpolación Fuente: Cuadro 3. 12

13 Penetración (mm) Gráfico N 4 Penetración vs Tiempo (Datos Promediados) 25,0 20,0 15,0 10,0 Penetración vs Tiempo (Datos Promediados) Polinómica (Penetración vs Tiempo (Datos Promediados)) 5,0 0,0 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 Tiempo (min) y = -8E-05x 3 + 0,0421x 2-7,7539x + 477,54 R² = 1 Fuente: Cuadro

14 Cálculos Para el cálculo de las desviaciones estándar se usará la siguiente fórmula Con µ: Promedio de los datos N: Número de datos X i : Dato i Desviación estándar en el rango de 49 a 202 minutos según la herramienta Microsoft Office Excel. σ = 25,76 min Para este cálculo no se tomaron en cuenta las primeras 2 lecturas pues no son exactas al sobrepasar la capacidad del aparato de Vicat Desviación estándar en el rango de 185 a 312 minutos según la herramienta Microsoft Office Excel. σ = 15,41 min Desviación estándar del grupo 1 según la herramienta Microsoft Office Excel. σ 1 = 15,41 min Desviación estándar del grupo 2 según la herramienta Microsoft Office Excel. σ 2 = 5,66 min Desviación estándar del grupo 3 según la herramienta Microsoft Office Excel. σ 3 = 11,14 min Desviación estándar del grupo 4 según la herramienta Microsoft Office Excel. σ 4 = 12,13 min Desviación estándar promedio de los 4 grupos según la herramienta Microsoft Office Excel. σ prom = 11,08 min 14

15 Mediante interpolación. [( ) ] Donde: H: Tiempo (min) de la última penetración mayor a 25 mm E: Tiempo (min) de la primera penetración menor a 25 mm C: Penetración a un tiempo E D: Penetración a un tiempo H De acuerdo al los datos del cuadro 4 y la fórmula anterior se obtiene experimentalmente el tiempo (min) para un fraguado inicial (25mm). [( ) ] Mediante ecuación de la curva de mejor ajuste (Promedio de los datos por grupo). y = -8E-05x 3 + 0,0421x 2-7,7539x + 477,54 Fraguado inicial = min 15

16 Análisis de Datos Para este ensayo cada grupo tuvo su propia muestra de pasta de concreto elaboradas a horas diferentes por lo tanto a condiciones diferentes; posibles factores de error aunque no se pueda asegurar. En cuadro 13 con los datos colectivos, se eliminaron las dos primeras mediciones pues exceden la capacidad de medición de la aguja de Vicat y se desconoce su valor exacto, esto puede deformar el gráfico (gráfico 4) a la hora de buscar la curva de mejor ajuste. En la sección de cálculos se aprecian las desviaciones estándar obtenidas de manera grupal, según la Norma ASTM C-191, de 49 a 202 minutos la desviación estándar no debe sobrepasar los 12 min, para este laboratorio se obtuvo una desviación de 25,76 minutos, prescindiendo de las primeras 2 mediciones por razones explicadas anteriormente, esta enorme diferencia puede deberse a varios factores, la inexperiencia de los operadores que hicieron las mediciones con la aguja de Vicat, el hecho de que fueran varias personas las que realizaran las pruebas, eso introduce un enorme riesgo de error. De 185 a 312 minutos la desviación estándar no debe sobrepasar los 20 min, en la práctica se obtuvo una desviación de 15,41 esto debido a que los posibles factores de error que pueden hacer dispersar los datos son los mismos pero la cantidad de datos para hacer este cálculo fue menor. En cuanto a las desviaciones estándar por grupo vemos que las desviaciones más altas corresponden a los grupos con más mediciones o con altas diferencias de tiempo entre mediciones (ver Cuadro 2). Las deviaciones de los grupos del 1 al 4 de forma correspondiente son 15,41 min, 5,66 min, 11,14 min y 8,38 min. En el caso del grupo 4 vemos que son muchas mediciones pero con tiempos entre mediciones más cortas que el grupo 3 que solo tiene 3 mediciones. Se calculó un promedio de tiempo y penetración por grupo para obtener 4 puntos promediados del comportamiento del tiempo de fraguado de la pasta de cemento, se graficó y se obtuvo una curva de mejor ajuste, el tiempo de fragua inicial obtenido por este método fue de 111,9 min y para el final 136,6. 16

17 También se calcularon estos tiempos mediante el método de interpolación como lo sugiere la norma C-191 y los resultados fueron un tiempo de 118,5 min para el tiempo de fraguado inicial y resulta imposible calcular el tiempo de fragua final pues no hay un punto inferior al cero para tomarlo como referencia para este método. Y por último para determinar los tiempos de fragua tenemos los datos experimentales pues hay una lectura exacta de 25 mm de penetración y una de cero. Viendo todos los resultados tenemos: Cuadro 15. Resultados de tiempos de fragua mediante los diferentes métodos (en minutos) Fragua Inicial Fragua Final Método Datos experimentales 121,0 241,0 Curva de mejor ajuste 111,9 136,6 Interpolación 118, Fuentes: Cuadro 2 y sección de cálculos Para determinar el tiempo de fraguado inicial se descarta leerlo directamente de los datos experimentales pues son datos tomados y leídos por personas sin experiencia además de que la fragua es radial pero no homogénea, lo que pudo haber provocado una falsa penetración de 25 mm aunque el verdadero resultado ronde por ese tiempo. El resultado mediante la ecuación de mejor ajuste se aleja un poco con respecto a los métodos de datos experimentales e interpolación por lo que pierde confiabilidad así que se desecha esta opción también, lo que queda es el método de interpolación además de ser el método que debe usarse para determinar este tiempo de fragua inicial según la norma C-191. Para determinar el tiempo de fraguado final no podemos usar el método de interpolación por las razones que se explicaron anteriormente así que se desecha, mediante el método de curva de mejor ajuste obtenemos un tiempo de 136 minutos, experimentalmente en ese tiempo la penetración ronda los 7 mm, bastante profundo como para asegurar que ese es el tiempo de fragua final así que este método se desecha, lo que nos deja con los datos 17

18 experimentales por lo que para efectos de este informe podemos declarar 241 minutos como el tiempo de fraguado final. 18

19 Conclusiones El cemento que se utilizó en el ensayo fue cemento SANSON, de la empresa Cemex. La temperatura y humedad relativa de la cámara humedad y del ambiente se mantuvieron relativamente constantes para los datos del grupo 3. Se recolectaron un total de 18 datos de tiempo con su respectiva penetración. Se descartaron 2 datos del grupo 4. La desviación estándar en el rango de 185 a 312 minutos fue de σ = 15,41 min, y para un rango de 49 a 202 minutos según la herramienta de excel fue de σ = 25,76 min. La desviación estándar promedio de todos los grupos fue: σ prom = 11,08 min La ecuación de la curva de mejor ajuste obtenida fue: y = -8E-05x 3 + 0,0421x 2-7,7539x + 477,54 Se utilizó el método de interpolación para determinar el tiempo de fraguado inicial. El tiempo de fraguado inicial obtenido es: 118,5 min Para el tiempo de fraguado final, se tomó de los datos experimentales: El tiempo de fraguado final, obtenido es: 241 minutos 19

20 Recomendaciones: Tener más experiencia por parte de los operarios. Estar presente en la elaboración de la pasta para conocer las condiciones en la que fue elaborada. Tener un buen control en los tiempos. Colocar la aguja de Vicat sobre la superficie de la pasta con cuidado, para evitar alteraciones en las mediciones. Tratar de despejar la zona de la mesa en la cual está el aparato de Vicat, para evitar golpes que alteren las mediciones. Procurar hacer todas las penetraciones un mismo operario y una misma muestra, para minimizar los errores humanos en lo posible. Cerrar el cielorraso y obtener equipo como aire acondicionado y humidificadores para mejorar las condiciones del laboratorio para que la muestra no pierda agua por efectos de la humedad relativa y la temperatura. 20

21 Referencias Bibliográficas: Portland Cement Association, Instituto Mexicano de Cemento y Concreto A.C., Diseño y control de mezclas de concreto, Adam M. Neville, Instituto Mexicano de Cemento y Concreto A.C., Tecnología del concreto, Araya, M. Cartago, Costa Rica: Compendio de Material para el curso Concreto, Instituto Tecnológico de Costa Rica

22 Anexos: Figura #1 Figura #2. Balanza Digital Figura #3. Mezcladora Mecánica Figura# 4. Aparato de Vicat en función. Figura #5. Termómetro de mercurio. Figura# 6. Probeta 22

23 Figura #7. Cámara Húmeda Figura #8. Pasta después de las pruebas 23