Diseño de Mezclas de Hormigón Método ICPA. Ing. Diego Calo

Diseño de Mezclas de Hormigón Método ICPA Ing. Diego Calo San Luis, 12 y 13 de Agosto de 2014 1

Temario: 2

Tecnología de Alto Rendimiento Implicancias: 3 Producción continua y de grandes volúmenes. Alto consumo de materiales. Se transporta en camiones volcadores. Encofrados Deslizantes Clave: Uniformidad en las Propiedades de la Mezcla y en la Velocidad de Colocación.

Consumos estimados para producir 125 m 3 /hora 4 Componente Cemento Agua Arena Piedra 6-20 Piedra 20-38 Plastificante Incorporador Fórmula Tipo 350Kg 150 l 650 Kg 550 Kg 700 Kg 1,14 Kg 0,114 Kg Consumo diario 350 t/día 150 m 3 /día 650 t/día 2000 toneladas de áridos 550 t/día 700 t/día 1400 kg/día 140 kg/día

Filosofía para asegurar la Calidad 5 Para el logro de los objetivos se debe establecer un proceso controlado: El sistema debe permitir: Cumplir las especificaciones técnicas Mantener en el tiempo la uniformidad de las propiedades y la calidad del pavimento. La experiencia indica claramente que es necesario actuar en forma preventiva dado que la TAR no nos permite esperar 7 días para detectar tendencias

Especificación de Resistencia P.E.T.G. Ed. 98 D.N.V. 6 A.I.4 FÓRMULA PARA LA MEZCLA d) La resistencia a la compresión será tal que permita alcanzar la exigencia establecida en A.I.6 d) y la Resistencia media a la Rotura por Flexión correspondiente a la fórmula de obra será de 45 kg/cm 2 como mínimo, según norma IRAM 1547 o la que se establezca en la especificación particular. A.I.6 CARACTERÍSTICAS Y CALIDAD DEL HORMIGÓN d) Resistencia cilíndrica de rotura a compresión a la edad de 28 días. El control de resistencia se realizará mediante el ensayo de testigos cilíndricos extraídos de la calzada terminada, acondicionados y ensayados según la norma IRAM 1551.

Especificación de Resistencia P.E.T.G. Ed. 98 D.N.V. (II) 7 A.I.6 CARACTERÍSTICAS Y CALIDAD DEL HORMIGÓN d) Resistencia cilíndrica de rotura a compresión a la edad de 28 días. La resistencia a compresión del Hº, corregida por esbeltez, para cada testigo será mayor o igual 315 kg/cm 2 con la tolerancia indicada en A.I: 9.5.3 A.I.9.5.3 RESISTENCIA DEL Hº de la CALZADA TERMINADA i) Para cada zona se deberán cumplir las siguientes exigencias: La resistencia de los testigos a la compresión, corregida por esbeltez, será mayor o igual a la resistencia en A.I.6, admitiéndose hasta un 10% de testigos por debajo de este valor (valores defectuosos).

Resistencia de Diseño para la mezcla 8 El PETG exige una resistencia media a Flexión y establece un valor mínimo en testigos aceptando un 10% de valores defectuosos por zona. Por otro lado, durante el diseño del pavimento se adopta un Módulo Resistente a la Flexión (MRF) a 28 días. La mezcla de hormigón se diseña a partir de una resistencia media a la compresión objetivo determinada en probetas cilíndricas. Asimismo, el control de producción se realiza a través del ensayo de probetas moldeadas. Necesitamos estimar en forma adecuada la resistencia media cilíndrica que cumpla los requisitos de flexión y garantice superar la mínima para los testigos calados.

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño a partir del MRF 9 Según la PCA: MRF = k (f cm ) ½ donde k medio es de: 0,7 para canto rodado y de 0,8 para piedra partida Podemos estimar entonces la resistencia de diseño a la compresión (f cm ) para el hormigón como sigue: f cm = ( MRF / k) 2

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño: Ejemplo de cálculo (MRF) 10 Adoptando un k medio de 0,75 y 4,5 MPa obtendremos: f cm = (4,5 / 0,75) 2 = 36 MPa En forma análoga, si se asume que: MRF 0,12 a 0,14 x f cm adoptando el valor medio 0,13; tendremos que: f cm = (4,5 / 0,13 ) = 34,6 MPa Ambos criterios son más o menos coincidentes y se puede concluir que con una f cm de 36 MPa cumpliríamos el requisito a flexión.

Resistencia media esperable sobre testigos calados del pavimento 11 La compactación eficaz sumada a un eficiente método de curado permiten alcanzar resistencias efectivas elevadas en el hormigón de pavimento, poco menores (hasta un 10 %), y algunas veces hasta comparables a las determinadas sobre probetas moldeadas.

Resistencia a compresión 28 días [kg/cm 2 ] 500 450 Resistencia media esperable sobre testigos testigos calados del pavimento probetas 12 400 350 300 250 01-Ene 15-Ene 29-Ene 12-Feb 26-Feb Fecha de colocación Testigos Probetas Relación media 356 382 Test / prob desvio 27,2 27,1 0,93 C.V. 0,08 0,07

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño: Ejemplo de cálculo (Testigos) 13 Además del MRF, por otro lado debemos cumplir: f mín test = 315 kg/cm 2 31 MPa Con un riesgo del 10% y un C.V. de 0,10; tendremos: (universo) f cm test = 31 + 1,28 x 3,1 35 MPa (por zona) f cm test = 31 + 1,319x 3,1 Si estimamos que: f test 0,90 f cm (probetas) Obtenemos una resistencia media objetivo en probetas: f cm = 39 MPa

Resistencia cilíndrica media adoptada 14 Tomamos el mayor de ambos valores, es decir 39 MPa. Se debe tener en cuenta que en producción sería esperable obtener valores algo menores respecto de los constatados en la etapa de diseño en laboratorio, por otro lado la dispersión de resultados será algo mayor. Con un control de Calidad adecuado, es razonable establecer ésta pérdida de resistencia entre 5 y 10%. Por lo cual deberemos mayorar nuestra media objetivo en el diseño de la mezcla, como sigue: f cm (lab) = f cm (prod) / 1,075 = 42 MPa Se adopta entonces una media objetivo para la etapa de diseño en laboratorio de 42 MPa. Siendo esperable tener en producción unos 39 MPa.

Resistencia de diseño: 15 De acuerdo al presente análisis se encuentra que sería necesario tener: Probetas en laboratorio: f cm = 42 Mpa Probetas en producción: f cm = 39 Mpa Con ello se cumpliría satisfactoriamente: f mín test = 315 kg/cm 2 - PETG DNV Ed. 1998 Con se cumpliría con cierta holgura (p/ agreg. Triturados): MRF media = 45 kg/cm 2 PETG DNV Ed. 1998

Materiales componentes del hormigón 16 Cemento Agua Agregado fino Agregado grueso Pasta Mortero Hormigón Aditivos

Cemento 17 Se encuentra en vigencia la norma IRAM 50002 Cemento para hormigón de uso vial, aplicable con tecnología de alto rendimiento (TAR). Junto con las IRAM 50000, 50001 contemplan todos los tipos de cementos que se producen en el país. Es un producto industrial normalizado y controlado, con calidad uniforme. Se debe contar con los protocolos de calidad, para evaluar su uniformidad.

IRAM 50002 18 Desde la Industria del Cemento se impulsó la normalización de Cementos de Uso Vial, atendiendo a pedidos de la CAC y a las prestaciones especiales de esta aplicación. Esta Norma Establece: los componentes de los cementos para uso vial aplicable con TAR basados en clínker de cemento Pórtland y las proporciones en que deben combinarse para producir una serie de tipos y clases de cemento. limita el contenido de adiciones a un máximo del 20%. las exigencias mecánicas, físicas y químicas que deben cumplimentar los cementos. establece la evaluación de la conformidad y las condiciones de recepción.

Cementos: Evaluación de la Conformidad 19 Todos los cementos que se comercializan en el país están normalizados. La norma exige la certificación de conformidad de cada producto otorgada por tercera parte. Rol que cumple el INTI El fabricante cuenta con un sistema de calidad que asegura la confiabilidad de los procesos Posee un control continuo del proceso con ensayos de autocontrol verificando todos los requisitos de la norma. El organismo de certificación efectúa inspecciones a las fábricas. Toma muestras para ensayos de verificación para acreditar la calidad del cemento y de los ensayos de contraste y de autocontrol que realiza el fabricante

Agregados 20 Por su naturaleza son los que más variación presentan. Ocupan el 65 al 75 % del volumen del hormigón. Tienen fuerte impacto en: Demanda de agua Trabajabilidad Módulo de elasticidad Estabilidad dimensional Durabilidad Coef. de Expansión Térmica

Agregados: Recomendaciones 21 La limitación más severa está dada por la uniformidad de los agregados durante toda la etapa de producción del hormigón de calzada Contar con dos fracciones de grueso, y es conveniente que al menos una esté constituido por partículas que tengan al menos dos caras rugosas o trituradas. No es conveniente el empleo de tamaños máximos superiores a los 38 mm (37,5 mm) No es esencial encuadrarse dentro de los límites de la IRAM 1627 Evaluar la durabilidad con suficiente anticipación (RAS, etilenglicol, Congelamiento y Deshielo, etc)

Tipos de agregado a emplear 22 Canto Rodado (natural o triturado) Evaluar CET Piedra Partida

Agregados: Manejo de Acopios 23 Evaluación de aptitud de distintas fuentes de producción. (tener una alternativa de contingencia) Considerar el Ritmo de Producción. Inspección de las canteras. Verificación visual de cada partida. Acopiar en forma controlada y ordenada. Tomar muestras representativas para caracterización y seguimiento. Evitar la contaminación de los agregados acopiándolos sobre un piso de apoyo lo suficientemente firme y bien drenado, de modo de permitir la correcta operación de las palas cargadoras, y de evitar el ingreso de suelo a la mezcla de hormigón.

Acopios 24

Elementos extraños en los acopios 25

Aditivos 26 Son productos industriales (norma IRAM 1663). Se agregan en pequeña cantidad, deben medirse con precisión. reductores de agua convencionales incorporadores de aire retardadores de fraguado (por razones de trabajabilidad y/o durabilidad) (tiempo caluroso) No es conveniente el empleo de aditivos multipropósito o duales, para disponer de una adecuada flexibilidad en el manejo del hormigón.

Aditivos: Recomendaciones Generales 27 Se necesitarán tantos vasos dosificadores como tipos de aditivos - NUNCA MEZCLAR ADITIVOS ANTES DEL INGRESO EN LA HORMIGONERA Es conveniente identificar en forma inequívoca los recipientes que corresponden a aditivos de distinto tipo, deben estar acopiados protegidos del sol. Las dosis deben evaluarse en forma experimental, en condiciones de obra. El uso de aditivo incorporador de aire está recomendado en prácticamente todos los casos. Un contenido de 3-4 % de aire suele ser suficiente, pero debe controlarse en obra para prevenir reducción de resistencia.

Proceso de diseño de la mezcla 28 Datos de la obra (f cm, As., T.M., tipo de transp., etc.) Caracterización de los materiales componentes Aplicación de un método racional para el diseño de mezclas (Método ICPA) Verificación y ajuste en pastones de prueba (laboratorio) Ajuste en escala de obra Implementación de Control de Calidad para verificar el cumplimiento de los supuestos durante el diseño.

29 Diseño Racional de Mezclas de Hormigón Método ICPA

Métodos de Diseño: Introducción El diseño de una mezcla es un proceso que consiste en tres pasos interrelacionados: Selección de los constituyentes del hormigón. Determinación de sus cantidades relativas para producir un hormigón de las características apropiadas y lo más económicamente posible. Ajuste de las cantidades estimadas mediante su ensayo en pastones de prueba. 30 La mayoría de los métodos están orientados a obtener cierta resistencia a la compresión y una determinada consistencia, aunque muchas otras propiedades del hormigón son importantes.

Requisitos de una Mezcla de Hormigón 31 Un diseño de mezcla será satisfactorio si se cumple simultáneamente: Trabajabilidad apropiada Resistencia adecuada Economía En general, la mezcla más económica será aquella con menor contenido de cemento sin sacrificar la calidad del hormigón. Entonces, si asociamos la calidad a la relación agua/cemento, es evidente que debemos reducir la demanda de agua de la mezcla, manteniendo la calidad.

Trabajabilidad 32 El hormigón debe reunir la trabajabilidad, la resistencia mecánica, y la durabilidad adecuadas. Un Hº de clase resistente adecuada pero con trabajabilidad deficiente puede generar pérdidas importantes en la resistencia y la durabilidad del pavimento.

Resistencia 33 Por ser un material estructural, la resistencia debe cumplir los requisitos establecidos en el Pliego y en la etapa previa de diseño. En general se especifica una resistencia característica. La resistencia media debe ser mayor que la resistencia especificada para contemplar la variabilidad inherente a la producción del hormigón. Esta diferencia será menor cuando se reduce la variabilidad mediante un Control de Calidad apropiado.

Definiciones de Resistencia 34 RESISTENCIA POTENCIAL Es un indicador de la calidad del material RESISTENCIA EFECTIVA Se determina mediante testigos calados VALOR DE UN ENSAYO Es el promedio de al menos dos resultados RESITENCIA MEDIA (f cm) Es la media aritmética de los valores de ensayo RESISTENCIA CARACTERÍSTICA Es un valor estadístico; f ck = f cm - 1,28 S

Resistencia a la compresión [%] Evolución de la Resistencia 140 56 115 103 90 120 104 Evolución de la resistencia del Hº en el tiempo (curado húmedo) 120 100 80 60 40 20 0 Cemento A Cemento B 0 20 40 60 80 100 Edad [días]

Resistencia a la compresión a adoptar 36 Se debe tener en cuenta que en producción sería esperable obtener valores algo menores respecto de los constatados en la etapa de diseño en laboratorio, por otro lado la dispersión de resultados será algo mayor. Con un control de Calidad adecuado, es razonable establecer ésta pérdida de resistencia entre 5 y 10%. Por lo cual deberemos mayorar nuestra media objetivo en el diseño de la mezcla, como sigue: f cm (lab) = f cm (prod) * 1,075

Economía 37 Adoptar el menor asentamiento (mezcla más seca) que permita, transportar, colocar y compactar el hormigón adecuadamente con los medios disponibles. Elegir el mayor tamaño máximo del agregado, siempre que sea compatible con el tamaño del elemento, y limitándolo a 37,5 mm. Optimizar la relación entre agregados finos y gruesos. Evaluar el costo relativo entre las distintas fracciones. Emplear aditivos. La reducción en el contenido unitario de cemento tiene otras ventajas adicionales, como una menor contracción y menor generación de calor.

Proceso de diseño de la mezcla 38 Datos de la obra (f cm, As., T.M., tipo de transp., etc.) Caracterización de los materiales componentes Aplicación de un método racional para el diseño de mezclas (Método ICPA) Verificación y ajuste en pastones de prueba (laboratorio) Ajuste en escala de obra Implementación de Control de Calidad para verificar el cumplimiento de los supuestos durante el diseño.

Caracterización de Materiales Componentes 39 Cemento Portland Para obras de este tipo cualquier tipo de cemento de uso general (IRAM 50 000) resultará adecuado. Cuando esté especificado cumplir una propiedad especial, se debe emplear un cemento IRAM 50 001 que la satisfaga. Un parámetro a considerar en los cementos Portland de uso general es su caracterización por resistencia. Si bien no existe una relación biunívoca entre la resistencia del cemento y la resistencia de los hormigones elaborados con el mismo, puede decirse que hay cierta vinculación, tal como se representa en el Ábaco 2.

Caracterización de Materiales Componentes 40 Agregados Los agregados finos y gruesos deban cumplir las especificaciones de las normas IRAM 1512 y 1531 respectivamente. Se debe tener en cuenta no sólo la calidad de los mismos sino su uniformidad en el tiempo, así como la representatividad de las muestras empleadas. Además de su aptitud se debe conocer los parámetros requeridos por el método racional que se emplee. Para el método ICPA se requieren la granulometría, la densidad y la absorción de cada fracción. Para pavimentos es recomendable contar con al menos un 50% de agregados triturados.

Aditivos Caracterización de Materiales Componentes Sólo se emplearán si se pueden medir con precisión. 41 El método contempla el uso de los incorporadores de aire y los reductores de agua o fluidificantes (plastificantes). La cantidad de aire depende, entre otros factores, de la dosis de aditivo, la cantidad de cemento, el módulo de finura de la arena, el contenido de polvo de los agregados y la consistencia de la mezcla. Existe un efecto secundario de reducción en la cantidad de agua de mezclado, pero también de disminución de la resistencia. El uso de reductores de agua permite distintas alternativas: disminución de la relación agua/cemento, aumento de la fluidez o una reducción en el contenido de cemento.

Limitaciones del Método El método ICPA es útil para el diseño de mezclas convencionales y no puede emplearse para el diseño de hormigones especiales y livianos. Permite asegurar la durabilidad bajo las condiciones comunes de exposición del hormigón, respetando las reglas del arte referidas al mezclado, transporte, colocación, compactación y curado. Como en otros métodos, se deben conocer las propiedades o características de los materiales componentes, así como las condiciones particulares de la obra y el equipamiento disponible. Las relaciones causa/efecto entre las propiedades de los componentes y las características del hormigón son muy complejas para considerarlas a todas en un mismo modelo; por ello, éste selecciona las más relevantes y establece pautas adicionales que contemplan estos posibles cambios. Siempre se deben verificar los supuestos en pastones de prueba. 42

Método ICPA para Diseño de Mezclas Selección de la resistencia de diseño 43 Elección del asentamiento objetivo Elección del Cemento a emplear Contemplar la incorporación de aire Distribución granulométrica de los agregados: Seleccionar curva apropiada Cálculo del módulo de finura Estimación de la cantidad de agua necesaria Selección de la relación agua cemento Cálculo del contenido unitario de cemento (CUC) Gráfico mezclas Mezclas ejemplo Ábaco 1 Ábaco 2 Determinación de las cantidades de agregados por diferencia a 1000 litros de los volúmenes de agua, cemento, y aire. Proporcionamiento de los agregados según la curva adoptada. Planilla

% Pasa 100 90 80 70 60 Agregados: Integración de mezclas 14 TI SI Fuller IRAM A IRAM B IRAM C RN 127 RP 39 R 9 Rogg R 9 Dyc R 6 T I R 6 T II R 6 TVI R 6 T VIII Calafate Ezeiza Acc. Glaciar 44 50 40 30 20 10 0 0,150 0,300 0,600 1,18 2,36 4,75 9,5 19,0 37,5 12,5 25 50 63 Tamiz IRAM http://www.icpa.org.ar/index.php?idm=169&alias=plataforma-del-hormigon

Demanda de agua [l/m 3 ] Abaco 1: Demanda de agua del hormigón en función del 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 asentamiento y el MF del agregado total 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Asentamiento [cm] Válido para Canto Rodado, para agregados triturados incrementar la demanda 5-10 % Con Aditivo plastificante, reducir 5-7 % del agua Con AII, reducir el agua en 2 a 3 % por cada punto de aire menos uno (AII-1%) MF 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 45

Resistencia del hormigón a 28 días [MPa] Abaco 2: Resistencia del hormigón en función de la relación a/c para distintas categorías de cemento 70 60 CP 30 CP 40 CP 50 46 50 40 30 20 10 0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Relación agua/cemento Válido para Canto Rodado; con Piedra Partida, las resistencias aumentan un 20 %. El aire incorporado (A%) reduce las resistencias en 5 % por cada (A%-1%)

Fórmula de Obra 47 Componente Peso seco [kg/m 3 ] Densidad [kg/dm 3 ] Vol Solido [kg/m 3 ] Peso SSS [kg/m 3 ] Peso humedo [kg/m 3 ] Vol. Agreg [dm 3 ] Cemento 350 3,15 111 708 Agua 145 1,00 145 % en vol. Arena Fina natural 2,64 0,250 Arena de Trituración 2,70 0,120 Piedra Partida 6-20 2,76 0,350 Piedra Partida 10-30 2,74 0,280 Plastificante 0,4% 1,4 1,15 1,22 1,000 Incorporador de aire 0,03% 0,105 1,02 0,10 Aire 3,5% n/c n/c 35 Total 0,41 292 Componente Peso seco [kg/m 3 ] Densidad [kg/dm 3 ] Vol Solido [kg/m 3 ] Peso SSS [kg/m 3 ] Peso humedo [kg/m 3 ] Vol. Agreg [dm 3 ] Cemento 350 3,15 111 708 Agua 145 1,00 145 % en vol. Arena Fina natural 2,64 177 0,250 Arena de Trituración 2,70 85 0,120 Piedra Partida 6-20 2,76 248 0,350 Piedra Partida 10-30 2,74 198 0,280 Plastificante 0,4% 1,4 1,15 1,22 1,000 Incorporador de aire 0,03% 0,105 1,02 0,10 Aire 3,5% n/c n/c 35 Total 0,41 1000

Fórmula de Obra (II) 48 Componente Peso seco [kg/m 3 ] Densidad [kg/dm 3 ] Vol Solido [kg/m 3 ] Peso SSS [kg/m 3 ] Peso humedo [kg/m 3 ] Vol. Agreg [dm 3 ] Cemento 350 3,15 111 708 Agua 145 1,00 145 % en vol. Arena Fina natural 467 2,64 177 0,250 Arena de Trituración 229 2,70 85 0,120 Piedra Partida 6-20 684 2,76 248 0,350 Piedra Partida 10-30 543 2,74 198 0,280 Plastificante 0,4% 1,4 1,15 1,22 1,000 Incorporador de aire 0,03% 0,105 1,02 0,10 Aire 3,5% n/c n/c 35 Total 0,41 1000 Componente Peso seco [kg/m 3 ] Densidad [kg/dm 3 ] Vol Solido [kg/m 3 ] Peso SSS [kg/m 3 ] Peso humedo [kg/m 3 ] Vol. Agreg [dm 3 ] Cemento 350 3,15 111 350 350 708 Agua 145 1,00 145 145 122 % en vol. Arena Fina natural 467 2,64 177 470 480 0,250 Arena de Trituración 229 2,70 85 230 242 0,120 Piedra Partida 6-20 684 2,76 248 685 686 0,350 Piedra Partida 10-30 543 2,74 198 544 544 0,280 Plastificante 0,4% 1,4 1,15 1,22 1,40 1,40 1,000 Incorporador de aire 0,03% 0,105 1,02 0,10 0,11 0,11 Aire 3,5% n/c n/c 35 n/c n/c Total 0,41 1000 2426

Verificación de la Fórmula 49 Todo método racional entrega una dosificación teórica. La misma deberá verificarse y eventualmente ajustarse en pastones de prueba en escala de laboratorio. Independientemente de la especificación se debe trazar la curva de evolución de resistencia para nuestro conjunto de materiales. La dosificación se someterá a consideración de la Inspección con la debida anticipación. Un Diseño de Mezcla será EXITOSO si se cumplen las condiciones de trabajabilidad, los requisitos de resistencia, y la mezcla es económica.

Control de Producción: Metodología 50 Objetivo: Verificar los supuestos en la Etapa de diseño, y cumplimentar las exigencias del PET. Se debe apuntar a un control preventivo, como herramienta rápida para la toma de decisiones. Establecer un control intensivo sobre la calidad y uniformidad de los componentes. Verificar frecuentemente los procedimientos de dosaje, medición y mezclado en la planta de Hº. Materiales de calidad satisfactoria y uniforme, medidos con precisión, en las proporciones adecuadas, producirán hormigones de buena calidad

MUCHAS GRACIAS Ing. Diego Calo Coordinador Departamento Técnico de Pavimentos dcalo@icpa.com.ar