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En: (Calvo, B., Maya, M., Parra, J.L., 2001, Editores). Primeras Jornadas Iberoamericanas sobre “Caracterización yNormalización de Materiales de Construcción”. Programa CYTED. Madrid.

COMPARACIÓN DE DIFERENTES MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS DECONCRETO HIDRÁULICO UTILIZADOS EN EL SALVADOR CON APLICACIÓNPARTICULAR A PAVIMENTOS

CAÑAS LAZO, Manuel Antonio1 y RETANA MARTÍNEZ, Manuel Edgardo2

1Universidad Politécnica de El Salvador, San Salvador, El SalvadorCorreo electrónico: manuel_sv@hotmail.com2CONINCA, S.A. de C.V. San Salvador, El SalvadorCorreo electrónico: edgar_retana@yahoo.com

RESUMEN

El presente trabajo describe la situación de la utilización del concreto en El Salvador, enfatizando de manera particular suaplicación en la construcción de pavimentos.

Presenta además los resultados de una experiencia práctica desarrollada en la Universidad Politécnica de El Salvador, en la que,en busca de métodos alternativos de diseño de mezclas de concreto, se hizo un estudio comparativo entre el método recomendadopor el ACI (American Concrete Institute) y uno de los métodos enseñados en la Universidad Politécnica de Valencia, España.

INTRODUCCIÓN

En El Salvador, el concreto es el material más utilizado en la industria de la construcción formal. La existencia dedos fábricas de cemento (recientemente fusionadas) en una región volcánica que cruza totalmente al país de este aoeste, que constituye una fuente duradera de material rocoso, y de ríos que proveen de arenas de buena calidad, hanpermitido que el concreto sea un material fácilmente utilizable en cualquier zona del país.

El uso del concreto se ha aplicado no sólo a la construcción de grandes edificios sino también a diversas obras deinfraestructura (puentes, tanques, muros, etc.) y hasta a complejos habitacionales masivos.

Los pavimentos, de manera particular aquellos que están destinados a la circulación de vehículos, son otra de lasaplicaciones importantes del concreto.

Cualquiera que sea su aplicación, el concreto elaborado debe cumplir con los requisitos básicos de ser económico,ser fácil de colocar y ser resistente y durable. Las anteriores características pueden ser logradas con una selecciónadecuada de los componentes del concreto, tanto en su calidad como en las proporciones en que éstos se combinan.A esta selección se le llama diseño de mezcla.

A través de la historia, y en diferentes regiones del mundo, se han utilizado diferentes criterios y, por lo tanto,diferentes métodos de diseño de mezclas de concreto, obteniéndose como resultado, con componentes similares,concretos más o menos económicos, más o menos resistentes y más o menos durables.

En un esfuerzo por obtener datos más aproximados y más confiables, y en un afán de posibilitar mezclas máseconómicas con igual o parecida calidad a las utilizadas tradicionalmente en el país, la Universidad Politécnica de ElSalvador realizó en los años 1999 y 2000 un estudio comparativo de dos métodos de diseño de mezclas de concretoaplicados a los agregados locales más utilizados en la industria de concretos preelaborados. El presente documentopresenta los resultados de esa experiencia.

EL USO DEL CONCRETO EN EL SALVADOR

En El Salvador el concreto es, con mucho, el material más utilizado en la industria de la construcción formal. Su usoen este país se remonta hacia los comienzos del siglo XX. Edificios de varios niveles, tanques de captación de agua,pavimentos, puentes, obras de drenaje, muros de retención, etc., son ejemplos de las diversas obras en las que su uso

se ha hecho frecuente. En los años 1970 y 1971 se construyó en el país la primera carretera pavimentada conconcreto hidráulico (12 kilómetros).

En los años recientes el uso del concreto hidráulico en la construcción de pavimentos se ha intensificado. Centroscomerciales, complejos habitacionales, pequeñas comunidades, han utilizado este material para pavimentar sus áreasde parqueos y sus vías de circulación.

La principal empresa fabricante de cemento, junto con las principales empresas productoras de concretospremezclados, ha impulsado un esfuerzo serio para promover cada vez más el uso del concreto hidráulico. Productode este esfuerzo ha sido la fundación del Instituto Salvadoreño del Cemento y del Concreto (ISCYC), el cual apoyatécnicamente a todas las empresas dedicadas a la industria de la construcción y a las instituciones de educaciónsuperior, a través de charlas, seminarios, congresos, biblioteca y próximamente laboratorios.

MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS MÁS UTILIZADOS

Por su proximidad geográfica, y por estar dentro de sus áreas de influencia, los métodos de diseño de mezclas deconcreto más utilizados en El Salvador son los del Instituto Americano del Concreto (ACI, por sus siglas en inglés) yalgunas variantes de éste utilizados en México.

En 1994, se decretaron en el país unas normas técnicas que intentaron incorporar algunas variantes al método dediseño del ACI con el fin de adaptarlo a condiciones locales, tanto de control de calidad como de características delos componentes del concreto y de prácticas constructivas. La descripción de estos métodos no se describen en estetrabajo por no ser su objetivo.

EL CONCRETO EN PAVIMENTOS

Cuando el concreto hidráulico se usa en la construcción de pavimentos, particularmente para carreteras, lascondiciones de calidad establecidas son un tanto diferentes a las requeridas para usos más comunes de este material.

Aunque la resistencia a la compresión sigue siendo importante, garantizar un módulo de ruptura adecuado a lascondiciones de uso se vuelve fundamental en el caso de los concretos para pavimentos. La durabilidad, la resistenciaal desgaste y otras, son características que se vuelven importantes, a diferencia de aquellas que se requieren en laconstrucción de edificios. Encontrar un método de diseño que garantice esas características con el resultado de unconcreto económico es una tarea importante. La finalidad de este trabajo ha mantenido esa ruta.

Aunque los resultados obtenidos no serían de aplicación exclusiva a los pavimentos de concreto, éstos eran lapreocupación básica del equipo investigador. En un trabajo aparte se presentan resultados del complemento de lainvestigación reportada en éste.

En ese trabajo se puede observar cómo, utilizando diferentes fuentes de agregados en El Salvador, aplicando unmismo método de diseño de mezclas (el método del ACI - 1985) se obtienen concretos de diferente calidad. Laetapa aún pendiente de desarrollar es repetir la experiencia utilizando el método de diseño enseñado en laUniversidad de Valencia, España, para comparar los resultados obtenidos, para cada fuente de agregados, aplicandodos métodos de diseño diferentes.

INVESTIGACIÓN COMPARATIVA DE DOS MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO

Con el fin de analizar los criterios utilizados en diferentes métodos de diseño de mezclas de concreto hidráulico, yestablecer cuál o cuáles se adaptan mejor a las condiciones de los agregados locales, se hizo un estudio teóricocomparativo de los métodos de diseño del Instituto Americano del Concreto (ACI, por sus siglas en inglés) y unmétodo enseñado en la Universidad Politécnica de Valencia, España.

El método del ACI aquí utilizado es el recomendado en la publicación ACI 211.1 (1985), por volúmenes absolutos.El método de la UPV (Universidad Politécnica de Valencia) fue utilizado en este estudio atendiendo una sugerenciade docentes y alumnos de esa universidad con ocasión de una visita a la Universidad Politécnica de El Salvador en1999.

En el cuadro 1 se presentan los métodos para establecer las proporciones en que han de participar los diferentescomponentes en una mezcla de concreto hidráulico.

Cuadro 1. Descripción comparativa del procedimiento para proporcionamiento de mezclas utilizados por losmétodos del ACI y de la UPV

CARACTERÍSTICA MÉTODO DEL ACI (ACI, 1985) MÉTODO DE LA UPVResistencia a la compresión delconcreto

Se determina a partir de laexperiencia de campo con diseñosanteriores o con tablas sugeridas porel ACI cuando no existe informaciónprevia

Se determina a partir de lascondiciones de trabajo y decontrol en la estructura aconstruir

Tamaño máximo del agregado Se establece con base en el tamañode malla más pequeño por el quepasa el 100% del agregado

Se establece con base en unainterpolación para encontrar eltamaño teórico de una mallapor la cual pasa el 90% delagregado

Relación agua/cemento (A/C) Se define a partir de la resistencia ala compresión especificada y de lacondición de aire incluido en lamezcla

Se define a partir de laresistencia especificada, deltipo de agregado y del tipo decemento utilizados.

Contenido de aire Se estima a partir del tamañomáximo del agregado

No considera el aire atrapado

Revenimiento o consistencia Se establece con base en el tipo deelemento a ser construido

Se determina según el tipo dela obra a construirse

Contenido de agua Se determina según el tamañomáximo del agregado, delrevenimiento deseado y de lainclusión de aire

Se determina según el tamañomáximo del agregado y de laconsistencia deseada

Contenido de cemento Se calcula a partir de la relaciónagua/cemento y del contenido deagua

Depende del tipo de cemento,del tipo de agregados y de larelación cemento/agua porresistencia. También puededepender del ambiente deexposición del concreto, delagua efectiva y de la relaciónagua/cemento.

Contenido de agregado grueso Depende del tamaño máximo delagregado y del módulo del agregadofino.

Se establece a partir delvolumen total de agregadoscalculado por diferencia entreel volumen de concreto para elque está diseñando la mezcla(1025 l) y el volumen de agua ycemento que ya han sidodefinidos. El contenido deagregado grueso se obtienedespués de determinar elcontenido de agregado fino.

Contenido de agregado fino Se calcula por diferencia devolúmenes absolutos entre un metrocúbico de concreto y la suma de losvolúmenes de los componentes yadefinidos, incluyendo el contenidode aire.

Se determina por medio delmétodo de De la Peña (Controlde Calidad…,95-96) queestablece que, del volumentotal de agregados, correspondeun porcentaje al agregado finodependiendo del tamañomáximo del agregado grueso.

Con los criterios anteriores, se procedió a diseñar mezclas de concreto para un mismo tipo de estructura utilizandosimilares materiales componentes del concreto.

La estructura “a construir” sería una losa de concreto de 18 cm de espesor, con una resistencia a la compresión dediseño de 210 kg/cm2 y un revenimiento de 7,5 cm.

Los materiales a utilizar, sus características (Tabla 1) y el diseño de las mezclas (Cuadro 2, Tabla 2) son lossiguientes:

• Cemento Tipo HE (fabricado bajo la Norma ASTM C-1157(Control de Calidad…,95-96) por la empresa Cementosde El Salvador “CESSA”), equivalente al cemento II-35 de Normas españolas.• Agregado grueso proveniente de la empresa productora de materiales pétreos PROTERSA, ubicada en lapoblación de Ateos, Departamento de La Libertad.• Agregado fino proveniente de la empresa HORIZONTES DEL NORTE, S.A. de C.V., ubicada en jurisdicciónde Comalapa, Departamento de La Paz.• Agua proveniente del sistema de abastecimiento de agua domiciliar de San Salvador.

Tabla 1. Características de los componentes sólidosMATERIALES

Ø MÁXIMO(cm)

M.F

G.E

P.V.S (kg/m3)

P.V.C (kg/m3)

ABSORCIÓN(%)

HUMEDAD(%)

GRAVA 5,0 (*) 2,60 1 331 1 479 1,66 2,00ARENA 2,88 2,43 1 514 1 636 3,61 5,00CEMENTO 3,15 AGUA 1,00

(*) Según criterio del ACI

Cuadro 2. Diseño de las mezclasCARACTERISTICA METODO DEL ACI METODO DE LA UPVResistencia a la compresión delconcreto

Como no se disponen de datosestadísticos de campo, se utiliza lafórmula recomendada por el ACI:

f´cr = f´c + 85

Por lo tanto,

f´cr = 295 kg/cm2

Con fck = 210 kg/cm² (resistenciacaracterística) y considerandocondiciones de ejecución buenas,la norma española proporciona lasconstantes 1.35 y 15 en laexpresión para calcular fcm(resistencia media), así:

fcm = 1.35 x fck + 15.

Por tanto:

fcm = 299 kg/cm²

Tamaño máximo del agregado Del análisis granulométrico seestableció que la malla más pequeñapor la que pasa el 100% delagregado es la malla de 2” (5,04cm). Por lo tanto:

Ømax = 50.4 mm.

El espesor de la losa permite unØmax = 60,0 mm (1/3 de su espesorque es de 18 cm.)

Del análisis granulométrico einterpolación logarítmica, eltamaño máximo lo determina lamalla por donde pase el 90 % delárido. Utilizando el gráfico en elmétodo de De la Peña, se obtuvo:

Dmax. = 37.4 mm.

Relación agua/cemento (A/C) Por interpolación en tablas del ACI,la relación agua-cementorecomendada para un f’cr de 295kg/cm² y para un concreto sin aireincluido es:

A/C = 0,55

Por resistencia,

C/A = k1 x fcm + k2

Si utilizamos cemento tipo II-35 yagregados triturados, k1= 0,033 yk2 = 0,64

C/A = 1,63

Contenido de aire Para concreto sin aire incluido ytamaño máximo de agregado de 2”,según Tabla del ACI se espera un% de aire atrapado = 0,5%.

No considera el aire atrapado

Revenimiento o consistencia En las condiciones iniciales delproblema ya se ha establecido:

Revenimiento = 75 mm

En las condiciones iniciales delproblema ya se ha establecido:

Consistencia = 75 mm

Contenido de agua Según tabla del ACI para concretosin aire incluido y tamaño máximode agregado de 50,4 mm, para unrevenimiento de 75 mm, serecomienda un contenido de aguaaproximado de

A = 169 l

Para agregados triturados, unaconsistencia de 75 mm y un Dmax.= 37,4 mm, de tablas, porinterpolación, el contenido deagua es:

A = 193 l

Contenido de cemento Para A/C = 0.55 y A = 169 kg, porsimple despeje de fórmula,

C = 307 Kg

Para C/A = 1.63 y A = 193 Kg,por simple despeje de fórmula,C = 315 Kg

Contenido de agregado grueso Con un tamaño máximo deagregado de 50,4 mm. y módulo definura de la arena de 2,88, de tablasdel ACI, para 1 m3 de concreto, elvolumen seco compacto delagregado grueso será:

0.73 m3

Conocido el peso volumétrico secocompacto del agregado grueso,1,479 kg/m3, podemos convertir esevolumen a peso:

1,080 Kg

Por diferencia de volúmenesobtenemos el volumen absolutototal de agregados así:1025–193–315/3.15 = 732 l

El porcentaje de volumenabsoluto que ocupa el agregadogrueso en el concreto es,entonces:

(732/1025) x 100 = 71.41%

Con módulo de finura de la arenade 2,88 y un tamaño de malla porla que pasa el 90% del agregadoigual a 33,9 mm, de gráficoobtenemos, sobre el volumenabsoluto total de agregados.% de agregado fino = 36%

Por tanto, el volumen absoluto delagregado grueso será:

732x(100-36)/100 = 468 l

Conocido el peso específico delagregado grueso (2 604 kg/m3),convertimos el volumen absolutoa peso:

0,468 x 2 604 = 1 219 kgContenido de agregado fino Por diferencia de volúmenes

absolutos entre un metro cúbico deconcreto y la suma de losvolúmenes de los componentes yadefinidos, incluyendo el contenidode aire:

Var=1000-(169+307/3.15+ 1080/2,60+0.5x1000/100)

Var=313 l

Conocido el peso específico de laarena (2,430 kg/m3), podemosexpresar el contenido de arena enpeso:

Arena = 0,313 m3 x 2430 kg/m3

Arena = 761 kg

Del volumen absoluto total deagregados determinado en lacasilla anterior:

Var= 732x36/100

Var = 264 l

Conocido el peso específico de laarena (2,430 kg/m3), podemosexpresar el contenido de arena enpeso:

Arena = 0,264m3 x 2 430 kg/m3

Arena = 642 Kg

Tabla 2. Resumen de los resultados.

COMPONENTE METODO DEL ACI METODO DE LA UPVAgua 169 Kg 193 KgCemento 307 Kg 315 KgAgregado grueso 1 080 Kg 1 219 KgAgregado fino 761 Kg 642 KgConcreto 2 317 Kg 2 369 Kg

CONCLUSIONES

Al observar y comparar los resultados obtenidos al utilizar ambos métodos de diseño de mezclas de concreto setienen las siguientes conclusiones:

1. El contenido de agua es bastante mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en el obtenido porel método del ACI. Esto puede representar una mejor trabajabilidad del concreto que redundaría en menores costosde mano de obra. Sin embargo, podría influenciar negativamente en el nivel de resistencia que podría llegar aalcanzar el concreto

2. El contenido de cemento es ligeramente mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en elobtenido por el método del ACI. Aunque esto puede ser una desventaja respecto del costo, podría redundar en unpequeño incremento de resistencia que llevaría a demandar menores secciones en las estructuras y, por lo tanto,menor volumen de concreto.

3. El contenido de agregado grueso es bastante mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en elobtenido por el método del ACI. Esto puede significar un beneficio en el costo, si consideramos que estecomponente del concreto es de los más baratos.

4. El contenido de agregado fino es bastante menor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en elobtenido por el método del ACI. Esto puede significar un beneficio en el costo, si consideramos que este tipo deagregado es más caro que el agregado grueso.

5. El peso del concreto obtenido por el método de la UPV es ligeramente mayor que el obtenido por el método delACI. Esto puede representar ventaja si asumimos que a mayor densidad mayor resistencia y/o durabilidad, peropuede ser una desventaja si consideramos el incremento del peso muerto en la estructura.

CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIÓN FINAL

De los resultados obtenidos, podemos concluir que por el método de la UPV se pueden obtener concretos quepodrían ofrecer condiciones más ventajosas que aquellos diseñados por el método del ACI

Este estudio debe complementarse elaborando mezclas de concreto a partir de los diseños obtenidos, elaborarespecímenes para ensayos de resistencia y comparar los resultados que se obtengan para verificar si éstos se acercana los resultados esperados por ambos métodos y para hacer nuevas comparaciones sobre los valores de resistenciasobtenidos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Diseño y Control de Mezclas de Concreto, 1992, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto A.C.ACI 211.1 , 1985. Práctica Recomendada para Seleccionar el Proporcionamiento de Concreto Normal, Pesado y Masivo, ACI.

211.1-81, revisada en 1985, Reporte del Comité ACI 211 del Instituto Americano del Concreto.Control de Calidad del Hormigón y sus Materiales Constituyentes, Servicio de Publicaciones, Curso 95/96, Universidad

Politécnica de Valencia, España.ASTM C-1157, Especificaciones Standard sobre Comportamiento de Concretos Hidráulicos Mezclados