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DIAGNÓSTICO DE AVANCES INVESTIGATIVOS DE FUENTES DE AGREGADOS PÉTREOS EN COLOMBIA Y BOYACÁ PARA OBRAS CIVILES ÁNGELA MARÍA GONZÁLEZ PÉREZ UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL TUNJA 2021
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DIAGNÓSTICO DE AVANCES INVESTIGATIVOS DE FUENTES DE
AGREGADOS PÉTREOS EN COLOMBIA Y BOYACÁ PARA OBRAS CIVILES
ÁNGELA MARÍA GONZÁLEZ PÉREZ
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
TUNJA
2021
DIAGNÓSTICO DE AVANCES INVESTIGATIVOS DE FUENTES DE
AGREGADOS PÉTREOS EN COLOMBIA Y BOYACÁ PARA OBRAS CIVILES
ÁNGELA MARIA GONZALEZ PEREZ
DIRECTOR:
Javier Eduardo Becerra Becerra, PhD
Trabajo presentado como requisito parcial para obtener el título de Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
TUNJA
2021
NOTA DE ACEPTACIÓN
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
______________________________________
Firma del Presidente del jurado
__________________________________
Firma del jurado
__________________________________
Firma del jurado
Tunja, febrero de 2021.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a Dios, por brindarme la oportunidad de culminar esta
etapa de mi vida profesional,
Doy las gracias a la Universidad Santo Tomás y sus docentes, que me orientaron hacia
el conocimiento tanto teórico como humanista.
Agradezco al Ingeniero Javier Eduardo Becerra Becerra por el apoyo, el seguimiento
y la revisión crítica de este proyecto, pero sobre todo por guiarme en este camino de la
investigación.
Quiero hacer extensiva mi gratitud a mis padres, hermanos, novio y madrina que me
dieron fuerzas para continuar con mis metas trazadas sin desfallecer. A mis tíos que
estuvieron presentes en mi formación como profesional.
Agradezco a mi familia y amigos por sus concejos y enseñanzas en los momentos
más difíciles de mi vida.
DEDICATORIA
A Dios, por darme la sabiduría y fortaleza, guiándome en el buen camino para
culminar mi carrera.
A mis padres José Salomón y Clara Estella por apoyarme en cada momento,
especialmente a mi madre quien con su esfuerzo, dedicación y amor me impulso a seguir
adelante.
A mis hermanos Salomón y Viviana, por los ejemplos de perseverancia y constancia
que los caracterizan y que me han infundido siempre.
A mi novio Damián que ha sido uno de los motivos más grandes para seguir adelante,
por ser ese apoyo incondicional, por amarme y por brindarme su lealtad, paciencia y
comprensión.
A mi madrina Laetitia por ser el pilar en esta etapa de mi vida y estar presente en cada
dificultad del camino. Contribuyendo al logro de esta meta.
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 12
2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ...................................................................... 13 2.1. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA ................................................................. 13 2.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................ 14 2.3. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................... 14 2.4. OBJETIVOS.................................................................................................................. 15
2.4.1. Objetivo general ............................................................................................ 15
2.4.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 15
3. DEFINICIÓN GEOLÓGICA DE ARENAS Y GRAVAS ...................................... 16
4. DEFINICIONES Y USOS DE AGREGADOS PÉTREOS EN CONSTRUCCIÓN E
INGENIERÍA ........................................................................................................... 18
5. AMBIENTE GEOLÓGICO ..................................................................................... 24
6. INVESTIGACIÓN DE ARENAS Y GRAVAS COMO MATERIAL DE
CONSTRUCCIÓN ................................................................................................... 35 6.1. CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA DE AGREGADOS ................................... 41
6.1.1. Petrografía ..................................................................................................... 41
6.1.2. Análisis químicos y mineralógicos ................................................................ 49
6.1.3. Características físicas .................................................................................... 53
6.1.4. Características mecánicas .............................................................................. 59
6.1.5. Caracterización físico-mecánica .................................................................... 61
6.1.5.1. Análisis granulométrico de los suelos por tamizado (I.N.V.E-123) .... 61
6.1.5.2. Resistencia al desgaste ......................................................................... 62
6.1.5.3. Peso específico y absorción de agregados finos (I.N.V. E-222) .......... 62
6.1.5.4. Peso específico y absorción de agregados gruesos (I.N.V. E-223) ..... 63
6.1.5.5. Equivalente de arena de suelos y agregados finos (I.N.V. E - 133) .... 64 6.2. REACCIONES NOCIVAS EN EL CONCRETO ......................................................... 65
6.2.1. Reacción álcali-sílice ..................................................................................... 67
6.2.2. Reacción álcali-carbonato ............................................................................. 70
6.2.3. Reacción álcali-silicato .................................................................................. 74
7. RECURSOS DE ARENAS Y GRAVAS EN COLOMBIA .................................... 76 7.1. SITUACIÓN NACIONAL ............................................................................................ 76 7.2. SITUACIÓN EN BOYACÁ.......................................................................................... 88
8. NECESIDADES DE INVESTIGACIÓN APLICADA A LA CARACTERIZACIÓN
DE GRAVAS Y ARENAS COMO AGREGADOS EN EL DEPARTAMENTO DE
BOYACÁ.................................................................................................................. 93
9. CONCLUSIONES .................................................................................................... 96 9.1. ESTADO DE LA INVESTIGACIÓN REALIZADA EN COLOMBIA Y EN BOYACÁ
CON RESPECTO A LA CARACTERIZACIÓN, COMPORTAMIENTO,
MINERALOGÍA Y OTROS PARÁMETROS DE LOS AGREGADOS ...................... 96 9.2. INVENTARIO DE RECURSOS DE GRAVAS Y ARENAS EN COLOMBIA Y EN
EL DEPARTAMENTO DE BOYACÁ ......................................................................... 96 9.3. OPORTUNIDADES DE INVESTIGACIÓN ................................................................ 97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 100
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Escala Granulométrica............................................................................................ 20
Tabla 2. Límites para estudio granulométrico agregado fino ............................................... 54
Tabla 3. Límites de gradación para agregado grueso ........................................................... 54
Tabla 4. Producción de arena y grava en 2017 (m3) ............................................................. 91
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Estructura Roca ígnea granito porfiroide .............................................................. 25
Figura 2. Estructura roca ígnea aplita ................................................................................... 26
Figura 3. Estructura roca ígnea pegmatita ............................................................................ 26
Figura 4. Roca basalto, estructura microcristalina ............................................................... 28
Figura 5. Estructura roca ígnea andesita ............................................................................... 29
Figura 6. Clasificación granulométrica de las arenas de Folk .............................................. 35
Figura 7. Clasificación de los cementantes. ......................................................................... 37
Figura 8. Esquema microscopio micrográfico ...................................................................... 41
Figura 9. Diferentes colores de granitos ............................................................................... 46
Figura 10. Metodología para la clasificación petrográfica ................................................... 49
Figura 11. Comparación de caracterización por redondez y esfericidad de un
grano de arena ....................................................................................................................... 56
Figura 12. Condiciones de humedad de agregados .............................................................. 58
Figura 13. Juego de tamices para la gradación de suelos. .................................................... 61
Figura 14. Preparación de muestra de agregado fino para ensayo de peso específico. ........ 59
Figura 15. Peso de muestra sumergida de agregado grueso para ensayo
de peso específico. ................................................................................................................ 64
Figura 16. Montaje de equipo para ensayo equivalente de arena. ........................................ 65
Figura 17. Superficies que señalan efectos de reacción álcali-carbonato ............................. 72
RESUMEN
En este trabajo se presenta un diagnóstico de los avances investigativos existentes
sobre las fuentes de agregados pétreos en Colombia y en el Departamento de Boyacá, con
destino a obras civiles. Adicionalmente el trabajo incluye las definiciones geológicas de las
arenas y las gravas, así como las definiciones y usos que tienen los diferentes agregados
pétreos. La caracterización mineralógica que se establece teóricamente incluye la petrografía,
los análisis químicos y mineralógicos, a su vez las características físicas y mecánicas. Se
describen los análisis granulométricos, los análisis de desgaste, así como las metodologías
de determinación del peso específico y la absorción de los agregados tanto finos como
gruesos. De igual manera se describen las reacciones nocivas en el concreto.
Específicamente en el departamento de Boyacá se logró localizar información parcial,
tanto en instituciones oficiales, como en investigaciones de carácter académico y fuentes
especializadas. Una de las principales conclusiones del trabajo se refiere al vacío de
información especializada que existe en el departamento de Boyacá para la caracterización,
cuantificación y localización de los agregados pétreos que necesita la industria de la
construcción en esa región del país, por lo que se sugiere la articulación de investigaciones
futuras que podrían liderarse desde el Estado, para que, con el apoyo de la comunidad
académica, se amplíe de manera organizada la información disponible sobre estos recursos
que tienen una constante demanda.
Palabras claves: Investigaciones, agregados, pétreos, reacciones nocivas, Colombia,
Boyacá.
ABSTRACT
This work presents a diagnosis of the existing research advances on the sources of
stone aggregates in Colombia and in the Department of Boyacá, for civil works. Additionally,
the work includes the geological definitions of sands and gravels, as well as the definitions
and uses of the different stone aggregates. The mineralogical characterization that is
established theoretically includes petrography, chemical and mineralogical analyses, as well
as physical and mechanical characteristics. The granulometric analysis, wear analysis, as well
as the methodologies to determine the specific weight and absorption of both fine and coarse
aggregates are described. Likewise, harmful reactions in concrete are described.
Specifically in the department of Boyacá it was possible to locate partial information,
both in official institutions, as well as in academic research and specialized sources. One of
the main conclusions of the work refers to the specialized information gap that exists in the
department of Boyacá for the characterization, quantification and localization of the stone
aggregates that the construction industry needs in that region of the country, so it is suggested
the articulation of future research that could be led by the State, so that, with the support of
the academic community, the information available on these resources that are in constant
demand is expanded in an organized manner.
Keywords: Investigations, aggregates, stone, harmful reactions, Colombia, Boyacá.
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1. INTRODUCCIÓN
Para la Ingeniería Civil resulta crítico saber cuál puede ser el comportamiento de los
materiales a utilizar en una obra. Los agregados pétreos son materiales granulares que
resultan de la desintegración natural o desgaste de las rocas, y también por medio de su
trituración. Por lo regular, estos agregados se encuentran en las construcciones de obras
civiles. Este trabajo busca llevar a cabo una recopilación de información bibliográfica sobre
el uso, estudios de caracterización mineralógica, fuentes de abastecimiento del departamento
de Boyacá, entre otros. Por medio de la investigación realizada se podrán identificar los
resultados más relevantes de los estudios realizados sobre las fuentes de arenas y gravas de
Boyacá y una introducción de Colombia en términos generales, caracterización,
comportamiento y reacciones nocivas de los agregados.
El trabajo se encuentra organizado en seis capítulos; en el primero se presentan las
definiciones geológicas de arenas y gravas, y en el segundo las definiciones y usos de los
agregados pétreos. En el tercer capítulo de describe el ambiente geológico de la investigación,
lo que da paso a la investigación de arenas y gravas como material de construcción, que es el
tema del cuarto capítulo. En el quinto capítulo se describe la situación de los recursos de
arenas y gravas mininamente a nivel nacional y en el Departamento de Boyacá y en el último
capítulo se presenta el panorama de las necesidades de investigación que se presenta en esta
región del país en relación con la caracterización de las arenas y gravas como como agregados
pétreos.
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2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
2.1. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA
Gracias al campo de acción en Ingeniería Civil, se llevan a cabo obras que involucran
de manera destacada la infraestructura de un territorio, que en la actualidad es de vital
importancia debido al constante progreso en el que se ve inmersa la sociedad. Desde este
punto de vista, se observa cómo esta disciplina sigue evolucionando de manera sostenida,
por lo que es preciso promover la continua actualización de conocimiento que permita
determinar cuál es el estado de investigación con relación a: la caracterización mineralógica,
propiedades físico-mecánicas, entre otros aspectos, de los agregados pétreos como materiales
utilizados para la construcción de obras en Colombia, específicamente en el departamento de
Boyacá.
Se observa que el uso de los agregados pétreos para obras de construcción, no se
realiza de manera correcta, pues no se tiene en cuenta como es su mineralogía, su
comportamiento con otro material y otros parámetros que ponen en duda la elección del
material, lo que a su vez puede generar reacciones desfavorables, como lo son reacciones
nocivas en los materiales de la construcción y, en consecuencia, problemas en las
construcciones.
La información recolectada permitirá ampliar el conocimiento de los agregados
pétreos como material para obras civiles, identificando los avances y vacíos en la
investigación; y las oportunidades que estos vacíos necesitan para la generación de nuevos
proyectos de investigación que ayuden a conocer mejor el recurso del departamento.
14
2.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Cuáles son los avances en investigación, realizados en los últimos veinte años, sobre
caracterización mineralógica y fisicomécanica de fuentes de agregados pétreos (arenas y
gravas) para su uso en ingeniería civil en Boyacá y Colombia?
2.3. JUSTIFICACIÓN
Esta investigación se realiza debido a la ausencia de estudios respecto a la
caracterización de agregados en el departamento, fuentes naturales y artificiales; de igual
manera se evidencia una carencia en el estudio profundo de las características de estos
agregados para identificar las posibles reacciones nocivas en función de su origen o génesis.
Por lo cual se va a compilar y sistematizar la información acumulada hasta el momento, que
permita proponer nuevos proyectos de investigación que realmente apoyen el conocimiento
de las fuentes del departamento.
Se ha observado la importancia de los agregados pétreos en el campo de la Ingeniería
Civil, debido a su uso en la construcción de infraestructura valiosa para el progreso. Sin
embargo, su uso no es óptimo, debido a que no se realiza la caracterización pertinente; de esa
forma, no es evidente su posible comportamiento y/o reacción con otro material. Por tal
motivo se pretende estudiar el conocimiento acumulado sobre el comportamiento de las
gravas y arenas como agregados en el departamento de Boyacá. Es fundamental reconocer e
interpretar la información al respecto, con el objetivo de precisar una estricta revisión sobre
la producción documental dentro del campo; permitiendo también, ampliar el conocimiento
y a su vez complementarse para generar un documento aplicable al entorno.
15
2.4. OBJETIVOS
2.4.1. Objetivo general
Analizar la información encontrada respecto a los agregados pétreos (arenas y
gravas), para elaborar un documento en el que se establezca la aplicación de los agregados
en obras civiles, mostrando sus fuentes naturales, comportamiento, mineralogía entre otros
parámetros.
2.4.2. Objetivos específicos
1. Identificar el estado de la investigación realizada en Colombia y Boyacá con
respecto a la caracterización, comportamiento, mineralogía y otros parámetros de los
agregados.
2. Hacer un inventario de recursos de gravas y arenas, naturales y producto de
procesamiento de las rocas, que se encuentran en Colombia y en el departamento de Boyacá
para ser aplicados en una obra.
3. Establecer las oportunidades de investigación que se generan a partir de la
consulta bibliográfica realizada para la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Santo
Tomás - Seccional Tunja, para despertar interés a futuros investigadores.
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3. DEFINICIÓN GEOLÓGICA DE ARENAS Y GRAVAS
Las arenas son definidas como agregado fino de origen natural, cuyo tamaño de grano
puede variar entre grano entre 1/16 y 2 mm, que corresponden a arenas y guijos, de acuerdo
con la clasificación geológica de sedimentos. Dentro de los agregados finos, los naturales se
diferencian de los fabricados en que estos últimos se obtienen mediante el triturado y
tamizado, con el fin de lograr el tamaño requerido, mientras que el agregado natural requiere
tan solo de tamizado para garantizar la homogeneidad del tamaño. Las arenas se utilizan
como agregados en las actividades de construcción para la producción de concretos, en el
relleno de estructuras para obras de ingeniería civil y construcción de edificios, vías y
similares. La arena también es definida como un conjunto de partículas de roca disgregada o
como material compuesto de partículas cuyo tamaño varía entre 0,063 y 2 milímetros, cuya
composición varía en función de los recursos y condiciones existentes en cada lugar
(Ministerio de Minas y Energía, 2003). Las arenas se pueden clasificar de acuerdo con su
tamaño o granulometría; son arenas gruesas cuando se pasan primero por un tamiz de 5mm
y luego a un segundo de 2mm); son arenas medias cuando pasan primero por un tamiz de
2mm y posteriormente por el de 0,5mm. Finalmente, son arenas finas las arenas medias que
pasan la malla de 0,02mm).
Entre tanto, las gravas son un material redondeado que se obtiene como consecuencia
de desintegración o fragmentación de cualquier tipo de roca, ya sea por medios naturales o
artificiales; las gravas son ricas en cuarzo y su tamaño es superior a dos milímetros de
diámetro y hasta 64 milímetros. Cuando es producida por el ser humano, se denomina piedra
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partida. Tanto las arenas como las gravas se caracterizan por carecer de adherencia entre sus
partículas, es decir, por estar conformadas por granos sueltos.
Las gravas naturales están conformadas por las partículas de suelo que poseen un
tamaño mayor a 2mm. y que están por debajo de los 7,62 cm, lo que corresponde a 3; se
generan por los depósitos de fragmentos de roca que han soportado el proceso de erosión,
transporte y sedimentación, habitualmente son redondeados. Con relación a las gravas
artificiales, son materiales que poseen particularidades parecidas a las gravas naturales, se
consiguen gracias a procesos de fabricación, a través de sobrantes de piedra de machaqueo,
poseen formas angulares, que al ser fusionada con cemento y agua se crea el concreto (Culma
& Rojas, 2018)
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4. DEFINICIONES Y USOS DE AGREGADOS PÉTREOS
EN CONSTRUCCIÓN E INGENIERÍA
Los agregados pétreos son materiales de forma granular y textura sólida que se
consideran en un inicio como inertes. La expresión agregados pétreos hace referencia a una
combinación cualquiera de arena, grava o roca triturada en su estado natural o después de
haber sido procesada. Los agregados son resultado de las fuerzas geológicas erosivas del
agua y del viento (Godoy, 2018).
Se encuentran generalmente en ríos y valles, donde han sido depositados por las
corrientes de agua. Lo anterior dando lugar a que se clasifiquen de la siguiente manera:
depósitos aluviales, materiales de arrastre, calizos, ígneos y metamórficos. En cuanto a los
materiales de arrastre están conformados por el proceso de separación natural que
experimenta el material pétreo cuando es llevado por las corrientes de agua, en la creación
de estos depósitos de materiales de arrastre se estimen tres etapas: erosión, transporte y
depositación (Ministerio de Minas y Energía, 2013).
Con relación a los agregados calizos, éste tipo de roca es bastante común, se consigue
en gran cantidad y además es económica para los procesos de trituración, se utiliza de manera
habitual para las capas de los firmes; es decir, aquellas capas que se encuentran situadas
debajo del pavimento y tiene la función de ser la base estructural, en ciertas ocasiones se
utiliza como agregado grueso para las capas de rodadura, gracias a lo sencillo que se le puede
realizar la pulimentación cuando ya está en servicio. Esta clase de agregado no presenta
dificultades en cuanto a la adhesividad, es decir, se fusiona bien con los ligantes asfálticos
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cuando se hacen mezclas asfálticas, es usado para mejorar la particularidad de su adhesividad
cuando se utilizan otra clase de agregados más duros, pero son más ácidos, cómo los silíceos.
Los agregados silíceos, a su vez, emanan de la trituración de gravas naturales, se
extraen de yacimientos granulares, donde las partículas más grandes se disgregan por
cribado. Estos agregados pueden no brindar una total adhesividad con los ligantes asfálticos;
pero, si el material que se consigue posee un gran contenido sílice y multiplicidad de caras
de fractura, tanto sus particularidades mecánicas como su rozamiento interno brindan un
cuerpo mineral en excelentes condiciones de uso, inclusive en mezclas asfálticas que han
sido utilizadas de manera directa. (Tovar & Posada, C., 2018)
En cuanto a los agregados ígneos y metamórficos, corresponden a materiales que,
debido a sus particularidades son apropiados para usarse como agregado grueso en las capas
de rodadura, dentro de este grupo están los basaltos, gabros, pórfidos, granitos, cuarcitas, etc.
Cuentan con condiciones propias para aguantar el pulimento, características adecuadas para
respaldar la textura superficial que se requiere por cierto tiempo, también es adecuado cuando
su tráfico es fuerte. Dentro de este grupo, cuando los agregados tienen una naturaleza más
ácida pueden mostrar una adhesividad menor con los ligantes asfálticos; aunque casi siempre,
la dificultad se puede solucionar con activantes, conformadas por sustancias que tienen la
tarea de mejorar la adhesividad con los ligantes, o también se puede solucionar esta
dificultad, por medio de soluciones propias; y cuando se trata de mezclas asfálticas, se
utilizan finos de esencia básica y un polvo mineral apropiado (Tovar & Posada, C., 2018)
Comúnmente se encuentran depósitos de arena y grava, los cuales están conformados
por materiales que están más o menos separados de otra clase de materiales. Con base en la
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clasificación de tipo geológico, la principal diferencia entre la arena y la grava hace referencia
al tamaño de grano. Usualmente las fracciones más pequeñas se denominan arenas y el
material de mayor tamaño se denomina grava (Quintana, Castillo, & Soto, 2019).
Los diámetros que tiene cada partícula se clasifican como se muestra en la Tabla 1 a
continuación.
Tabla 1. Escala Granulométrica
Clasificación de sedimentos
Limites en milímetros Clases de tamaño
256
Gravas
Peñascos
128 - 16 Matatenas
16 -4 Guijarros
4 - 2 Gránulos
2 – 1
Arenas
Arenas muy gruesas
1- 0.05 Arenas gruesas
0,05 – 0,25 Arenas medianas
0,25 – 0.125 Arenas finas
0,125 – 0,0625 Arenas muy finas
Fuente: (Adams, Mackenzie, & Guilford, 1984)
La arena muy gruesa es el grupo de partículas de rocas disgregadas con un tamaño
que oscila entre 1 y 2 mm. La arena media está conformada por un grupo de partículas de
rocas separadas, su tamaño oscila entre 0,25 y 0,5mm; en esta clase de arena, los granos
pasan por un tamiz de 2,5 mm. de diámetro y son detenidos por otro tamiz de 1mm. de
diámetro. La arena fina, corresponde al grupo de partículas de rocas separadas que tienen un
diámetro entre 0,125 y 0,25 mm., esta clase de arena pasa por un tamiz con malla de 1 mm.
de diámetro y son detenidos por otro tamiz de 0,25mm.; entre tanto, la arena muy fina
corresponde a las partículas separadas que cuentan con un diámetro entre 0,0625 mm. y 0,125
mm. mm (Fattahpour, y otros, 2017).
21
Los agregados se usan especialmente para fabricar mezclas asfálticas, de concreto,
mortero, así como en bases y subbases para construir vías, drenajes o balasto en vías
ferroviarias.
El tipo de agregado pétreo puede establecerse a partir de la fuente y a la técnica que
se haya empleado en el aprovechamiento, lo que da origen a los tipos descritos a continuación
(Quiroga, León, Mendoza, Coca, & Mora, 2018):
Agregados naturales. Son aquellos que se utilizan solamente después de una
modificación de su distribución de tamaño para adaptarse a las exigencias según su
disposición final.
Agregados de trituración. Son aquellos que se obtienen de la trituración de diferentes
rocas de cantera o de las granulometrías de rechazo de los agregados naturales. Se incluyen
todos los materiales procedentes de canteras cuyas propiedades físicas sean adecuadas.
Agregados artificiales. Son los subproductos de procesos industriales, como ciertas
escorias o materiales procedentes de demoliciones, utilizables y reciclables.
Agregados marginales. Los agregados marginales engloban a todos los materiales que
no cumplen alguna de las especificaciones vigentes.
Existen distintos tipos de agregado, y según su tamaño comúnmente se clasifican en
gravas y arenas, reconociéndose la diferencia fundamental entre estas en la variación que
poseen en el tamaño del grano, clasificándose de la siguiente forma:
Agregado grueso. El Sistema de Clasificación de Suelos SUCS, define los agregados
gruesos como aquella parte del agregado pétreo que es retenido cuando pasa por un tamiz #4.
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Agregado fino. El mismo sistema SUCS define los agregados finos como aquella
parte del agregado pétreo total que, después de que pasa el tamiz #4, es retenido por el tamiz
#200.
Polvo mineral (Filler). Según el Sistema de Clasificación de Suelos SUCS, se define
como polvo mineral, a la parte del agregado pétreo total que pasa el tamiz #200.
En cuanto al uso e implemento del filler se pueden destacar como sus características
más representativas las siguientes:
Finura. Al ocupar parcialmente los espacios libres dejados por la estructura granular
compactada y conformada por las partículas mayores, reduce el volumen de vacíos de la
mezcla evitando un aumento pronunciado de la cantidad de ligante asfáltico. El polvo mineral
consigue cumplir con su función de relleno, dependiendo del volumen de vacíos existente
una vez que se haya compactado la estructura granular y en función de la granulometría y de
las partículas de mayor tamaño.
Modificación del comportamiento reológico. Cuando se utiliza polvo mineral, se
incrementa la propiedad de resistencia a la deformación de la mezcla, sin que se altere la
viscosidad del material ligante, lo que da origen a que se aumente en la mezcla asfáltica su
resistencia de corte.
Acción de estabilización frente al agua. Se produce incremento en la durabilidad de
una mezcla asfáltica a la acción del agua como consecuencia de la reducción parcial de la
porosidad de los granos; este comportamiento evita que el agua acceda a la parte interna de
la mezcla. Adicionalmente, determinados polvos de origen mineral ofrecen mayor afinidad
con el material ligante, lo que se refleja en el mejoramiento de la resistencia a la acción de
desplazamiento que es ejercida por el agua.
23
Las propiedades de comportamiento reológico y de finura se relacionan con la forma
y con el tamaño de las partículas. La composición química de los materiales de relleno
también incide en la capacidad de estabilización frente al agua. La función que cumple el
polvo mineral se encuentra vinculada tanto con el contenido como con la consistencia del
ligante asfáltico presente en la mezcla.
La arena de sílice o vidrio es un tipo especial de arena de cuarzo que es adecuada para
la fabricación de vidrio, debido a su alto contenido de sílice y su bajo contenido de óxido de
hierro y otros compuestos. También la arena se puede emplear para fabricar filtros; los filtros
de arena pueden ser rápidos, semirrígidos y lentos; los primeros se deben limpiar
frecuentemente debido que se alisan, por lo cual se debe invertir la dirección del flujo del
agua y normalmente requieren usar bombas o productos químicos para floculación, al atrapar
los materiales en suspensión en copos que se sedimentan. A su vez, los filtros de arena lentos
utilizan procesos biológicos y no se presurizan, logrando eliminar virus, microbios y
bacterias.
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5. AMBIENTE GEOLÓGICO
Dentro de las características de las rocas que se usan como agregados y que forman
parte del concreto, está la composición mineralógica de la roca como tal o meteorización a
que la roca ha estado sujeta antes de conformar el agregado. La conformación de la roca, su
jerarquización y minerales que la constituyen es fundamental para comprender su
estructuración e influencia en el concreto. Las rocas se clasifican conforme a su origen en
tres grupos: ígneas, sedimentarias y metamórficas.
Rocas ígneas: Se constituyen por el enfriamiento y solidificación de materia rocosa
fundida, el magma. Teniendo en cuenta las condiciones como el magma se enfríe, las
rocas que surgen, pueden presentar granulado grueso o fino. Estas rocas se dividen
en dos grupos como se señala a continuación.
- Rocas plutónicas o intrusivas: Formadas a partir de un enfriamiento lento y
profundo del magma. Estas rocas tuvieron un enfriamiento despacioso,
posibilitando el surgimiento de enormes cristales de minerales puros. Esta clase
de roca se configuran en su interior a consecuencia de la cristalización
fraccionada, son siempre macrocristalinas; es decir, se pueden percibir a simple
vista. Según las formas que toman los cuerpos intrusivos de magma en la corteza
terrestre, o al verterse encima de ella la lava, los minerales que cristalizan en
distintos estados de presión, volumen, temperatura, se fusionan constituyendo
rocas con diversas estructuras; de tal forma que la estructura de una roca es el
número, clase, tamaño y colocación de los minerales que la constituyen. Toman
formas intrusivas diferentes, por lo que se subdividen en rocas plutoneanas
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(estructuras granítica y porfiroide que es una pasta macrocristalina granítica
donde están incorporados cristales de dimensiones más elevadas denominadas
fenocristales), como se observa en la Figura 1 con el ejemplo de la estructura
porfiroide a continuación.
Figura 1. Estructura Roca ígnea granito porfiroide
Fuente: (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
En cuanto a las rocas filonianas, estas emergen a causa de grietas o fracturas que se
generan en la corteza donde se introducen fragmentos de magma en estos lugares donde se
formaron cuerpos básicamente tabulares llamados filones. Si el magma se le reduce la
temperatura, la relación presión y temperatura se perturba, provocando que los minerales
cristalicen con tamaños más reducidos, generando las estructuras aplíticas, que tienen la
particularidad de poseer dimensiones cercanas al milímetro, según se observa en la Figura 2
a continuación.
26
Figura 2. Estructura roca ígnea aplita
Fuente: (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
De igual manera, se puede presentar la introducción del magma dentro de las grietas
de la corteza, que también puede mostrar la presencia de gran cantidad de gases que trabajan
como dilatadores del intervalo de cristalización, es decir que las condiciones de presión y
temperatura, se conservan por medio del tiempo, y los minerales se cristalizan en enormes
dimensiones conformando estructuras pegmatíticas, como se puede observar en la Figura 3,
a continuación.
Figura 3. Estructura roca ígnea pegmatita
Fuente: (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
27
Rocas volcánicas o extrusivas: Se constituyeron a partir de un enfriamiento acelerado
y en la superficie, o cerca de ella, del magma. Rocas que se conformaron cuando emergió
magma fundido desde las profundidades saturando grietas cercanas a la superficie, o cuando
surgió magma por medio de los volcanes. El enfriamiento y solidificación posterior fue
acelerado, produciendo minerales con grano fino o de rocas similares al vidrio (Asociación
Colombiana de Productores de Concreto, Instituto del Concreto, 1997). En este segundo
grupo están todas las rocas que cristalizan o se terminan de cristalizar en el exterior encima
de la corteza, también se les denomina rocas efusivas conformadas por estructuras
microcristalina y porfídica, tienen la particularidad de que poseen minerales microcristalinos,
en casi toda su estructura.
Si el magma, por medio de grietas o conos volcánicos se vierte de manera pausada
sobre la capa superficial de la tierra, elimina los gases y se desproporcionan totalmente los
estados de presión, volumen y temperatura, cambiando su condición a lava; y generando
cuerpos básicamente tabulares llamados coladas. Durante el transcurso de este proceso, se
presenta trascendencia fundamental en el tiempo de cristalización; tiempo que no debe ser
extenso a causa del vertimiento de la lava sobre la superficie, que al tener roce con la
atmósfera se enfrían de una manera más acelerada, conformándose cristales que no se pueden
ver a simple vista, por lo cual se genera una estructura microcristalina, como se aprecia en la
Figura 4 a continuación.
28
Figura 4. Roca basalto, estructura microcristalina
Fuente: (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
De igual forma, existe una estructura que posee unas particularidades macro y
microcristalinas, lo cual ocurre a causa de la formación de ciertos cristales de minerales que
llegan a tener tamaños macrocristalinos dentro de la corteza, provocado por vertimiento de
una lava que se conforma por dichos cristales y un “líquido”, lo que genera que los minerales
que quedan, no pueden cristalizarse en tamaños considerables a simple vista, sino que se
conforman a través de una pasta microcristalina que encierra a los que ya están cristalizados
dentro de la corteza; estructura que recibe el nombre de porfídica, como se puede ver en la
Figura 5 a continuación.
29
Figura 5. Estructura roca ígnea andesita
Fuente: (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
Las rocas ígneas poseen un papel esencial como agregado pétreo, como rocas
ornamentales, y como material de fundación para las obras ingenieriles. Una roca cuya
estructura está conformada por un gran número de cristales bastante diminutos, y de distintos
grupos de minerales, tendrán un comportamiento de reacción frente a los requerimientos
externos, distribuyendo de manera ascendente los impulsos internos dentro de la masa rocosa,
los cuales se producirán con valores casi que totalmente uniformes en todos los puntos de la
masa, donde ésta actuará como un medio a través del cual las propiedades no variarán con la
dirección, es decir una vía isótropa para distribuir estos esfuerzos; lo que significa que, la
distribución de los minerales que lo constituyen no tienen que ver con la repartición de los
esfuerzos. Esta clase de rocas, se pueden determinar como un material que es destacado como
continuo, homogéneo e isótropo. (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
Si se incrementa la dimensión de los cristales, donde los diversos grupos de minerales
van a ser constantes y reduciendo su cantidad, el comportamiento de la roca estará supeditada
por la colocación de los minerales que lo integran; lo cual se interpreta por el surgimiento de
discontinuidades entre mineral y mineral, lo que produce que varíe la distribución constante
30
de esfuerzos internos en la masa de la roca. Por lo tanto, la repartición de estos esfuerzos, no
es de tipo escalar, ya que no se puede estimar como isótropo, y se puede señalar que su
material continuo, homogéneo e isótropo se reduce.
De esta forma, las rocas ígneas que son más apropiadas para ser requeridas en
referencia a su resistencia mecánica son las de estructura microcristalina, competencia que
va disminuyendo de manera gradual para estructuras aplítica, porfídica, granítica, porfiroide
y pegmatítica (Fraga, Polare, & Antola, 2017)
Rocas sedimentarias: Se constituyen en la superficie de la tierra por procesos de
erosión y alteración de las rocas que ya había, lo que considera su disgregación y
constitución de detritus, la precipitación de elementos de soluciones acuosas, el
transporte de estos componentes y el almacenamiento de rocas, de organismos: así
como material de precipitación química en zonas adecuadas (cauces de ríos, lagos,
mares, etc.).
Las rocas sedimentarias se forman a través de fenómenos de deposición de
sedimentos de diferente naturaleza, se conforman por una serie compleja y consecutiva de
procesos geológicos que inician con la formación de rocas fuente por medio de intrusión,
metamorfismo, vulcanismo y elevación tectónica. Posteriormente, se presentan procesos
físicos, químicos y biológicos que juegan un rol fundamental para la definición del producto
sedimentario; a causa del clima se genera una descomposición física y química de las rocas
fuente, produciéndose la concentración de residuos de partículas sólidas (básicamente
minerales de silicato y fragmentos de rocas) y la generación de minerales secundarios, como
minerales arcillosos y óxido de hierro; de manera paralela, los elementos solubles como el
31
calcio, potasio, sodio, magnesio y sílice se escapan en solución, estos elementos se mueven
de forma permanente desde donde se meteorizaron en aguas superficiales y subterráneas, las
cuales se vacían en el océano.
De igual manera aporta a la formación de esta clase de rocas, el volcanismo explosivo
con enormes cantidades de partículas piroclásticas, incluidos los feldespatos, fragmentos de
roca volcánica y vidrio. Transcurrido el tiempo, las partículas a raíz de la erosión se eliminan
de la tierra y se vacían al agua, por los vientos y el hielo a las cuencas de depósitos en las
elevaciones más bajas. De esta forma, en las cuencas se depositan partículas que se estancan
por debajo de la base de la onda. Así mismo, los residuos orgánicos de las plantas o animales
que terminan en las cuencas deposicionales, se pueden almacenar en unión con los detritos
que se originan de la tierra o se han generado por procesos químicos o bioquímicos; luego se
va formando el depósito, puesto que este sedimento cuenta con varias capas.
A causa del incremento de las temperaturas y presiones generadas al interior de la
tierra, se genera la diagénesis del sedimento, lo que provoca la solución y destrucción de
ciertos componentes, creación de nuevos minerales en el sedimento y de esta forma el
fortalecimiento y litificación del sedimento en roca sedimentaria (Adams & Guilford, 1997)
Ciertas rocas calizas y areniscas pueden poseer un megapascal o Unidad de Presión
del sistema internacional de unidades (MPa) menor a 100, de resistencia a la
trituración, lo que las hace poco apropiadas para ser utilizadas en el concreto de alta
resistencia; al equipararlas con las ígneas, las sedimentarias poseen impurezas como
los carbones impuros o betunes que en ciertas oportunidades no permiten que puedan
32
ser utilizadas como agregado (Asociación Colombiana de Productores de Concreto,
Instituto del Concreto, 1997, pág. 257).
Rocas metamórficas: Cuando una roca se expone a presiones y temperaturas altas,
soporta cambios en sus minerales y se transforma en una nueva clase de roca llamada
metamórfica. El proceso metamórfico se efectúa en estado sólido, ya que los cambios
se generan sin que la roca pase por el proceso de fusión. Las rocas metamórficas
foliadas son sometidas a calor y presión diferencial durante el metamorfismo y se
caracterizan por presentar alineación paralela de los minerales que contienen, lo cual
da a la roca una apariencia de capas o bandas (Esteve, Pere, & Gemma, 2018).
Dentro de los agregados pétreos metamórficos e ígneos pueden incluirse los basaltos,
gabros, pórfidos, granitos y cuarcitas, que se utilizan para capas de rodadura debido
a su resistencia al pulimento, que los hace idóneos para la textura superficial inclusive
bajo tráfico intenso (Tovar & Posada, C., 2018).
Las particularidades mineralógicas de la roca, permiten conocer la calidad del
material, a continuación, se muestra una descripción de los minerales que conforman
habitualmente los agregados y que están descritas en la Norma de Inspección y Evaluación
de Estructuras de Concreto Reforzado ASTM C-295.
Minerales de arcilla: Abarca los minerales que poseen estructura laminar inferior a 2
μm (0,002 mm) de tamaño. Estos minerales están conformados especialmente por
aluminio hidratado, magnesio y silicatos de hierro, son los elementos esenciales de las
lutitas y las arcillas. Son bastante suaves y se descomponen al mojarse. De esta forma,
las arcillas y pizarras no se utilizan como agregados del concreto; sin embargo, los
33
minerales arcillosos se pueden presentar como contaminantes en un agregado mineral
natural.
Minerales de carbonato: El más común es la calcita o carbonato de calcio (CaCO3), el
otro mineral más habitual es la dolomita que cuenta con proporciones equimoleculares
de carbonato de calcio y carbonato de magnesio correspondientes a 54.27% y 45,73% en
peso de CaCO3 y MgCO3 respectivamente. Estos dos minerales son más blandos que el
cuarzo y el feldespato. Lar rocas que presentan minerales de carbonato son las que
pertenecen a las calizas y dolomías que a causa del metamorfismo han sufrido el
desarrollo de una recristalización, pasando a llamarse mármoles, estas rocas pueden ser:
El cuarzo, la mica, cloritas, hematita y limonita
Minerales feldespáticos: Son los que más abundan, conforman las rocas de la corteza de
la tierra e integran parte de los componentes de las rocas ígneas, sedimentarias y
metamórficas. Estos minerales tienen una dureza similar a la del cuarzo. Los diferentes
elementos del grupo se distinguen por su composición química y particularidades
cristalográficas. La ortoclasa, sanidina y microclina son silicatos de aluminio y potasio,
que son denominados habitualmente feldespatos potásicos. Los feldespatos de cal y
carbonato de sodio abarcan silicatos de aluminio y de sodio (albita), silicatos de aluminio
y calcio (anortita) o ambos. Los feldespatos alcalinos que contienen potasio o sodio, se
presentan habitualmente en rocas ígneas que contienen un alto contenido de sílice, como,
por ejemplo, los granitos y las riolitas; entre tanto, las que poseen un elevado contenido
de calcio, se encuentran en rocas ígneas que poseen poca cantidad de sílice, como, por
ejemplo, la diorita, el gabro y el basalto.
34
Minerales ferromagnesianos: Se encuentran en diversas rocas ígneas y metamórficas,
conformadas por silicatos de hierro o magnesio, o también por ambos; contienen
estructura cristalina de anfíboles llamados hornblenda y de piroxeno denominados augita.
El olivino constituye una clase de este mineral, y está presente en las rocas ígneas con
contenido reducido de sílice, como la dunita, gabro, peridotita y basalto (Faúndez, 2016).
Minerales micáceos: Están conformados por minerales como: moscovita, biotita, clorita
y vermiculita, y éstos contienen silicatos de aluminio, hierro y magnesio, pero la
conformación laminar interior que tienen es la que genera que en algunas ocasiones se
divida en hojas finas. Las micas predominan y se encuentran en los tres grupos de rocas.
Minerales de sulfatos y sulfuros: Los sulfuros de hierro como la pirita (FeS2), marcasita
y pirrotita Fe9S10, se encuentran habitualmente en los agregados naturales. La marcasita se halla
especialmente en rocas sedimentarias, se oxida de manera acelerada y de esta forma crea ácido
sulfúrico e hidróxidos de hierro. Esta formación de ácidos para la corrosión del acero en concretos
preforzados y reforzados es perjudicial. Se considera que las variaciones en el volumen de
expansión en el concreto, se presenta por la marcasita y algunas formas de pirita y pirrotita,
generando en el concreto grietas y botaduras o desgarramientos (Tovar & Posada, C., 2018). Las
impurezas que se presentan en las rocas de cal y nitrato de sodio y en la pizarra, se pueden
presentar por el yeso (sulfato de calcio hidratado) y la anhidrita (sulfato de calcio anhidro); en
determinadas ocasiones están presentes como recubrimientos en arena y grava. Cuando se
presentan en el agregado el yeso y la anhidrita, pueden generar la probabilidad de que surjan
sulfatos en el concreto (Ferreira & Torres, 2014).
.
35
6. INVESTIGACIÓN DE ARENAS Y GRAVAS COMO
MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
La arena corresponde al material de grano fino que se originan por el desprendimiento
de partículas finas de rocas generada por agentes erosivos o trituración artificial. El tamaño
que tienen las arenas oscila entre 2mm y 0,05 mm de diámetro (ver Figura 6). En el momento
en que la arena está libre de arcilla, le otorga ciertas particularidades como, por ejemplo: No
contraerse al secarse, no es plástica, ni tampoco compresible, y al aplicar una carga encima
de su superficie, se aplasta o prensa de manera inmediata.
Figura 6. Clasificación granulométrica de las arenas de Folk
Fuente: Sánchez et al (2017)
Las arenas que se comercializan están compuestas fundamentalmente de sílice (SiO2),
fragmentos de rocas silíceas y pequeñas cantidades de feldespatos, micas, óxidos de hierro
y minerales pesados, como magnetita, óxido de titanio, hematita, apatita y circón (Castro &
36
Díaz, 2019). Para utilizar esta arena, se requiere saber las especificaciones en cuanto al
tamaño del grano, características físicas y composición química.
De acuerdo con INGEOMINAS (1987), cuando los fragmentos de minerales y rocas
son consolidados, las arenas que se encuentran se denominan areniscas, y éstas están
conformadas por feldespatos, fragmentos de roca y por una cifra superior al 95% de
contenido de cuarzo, denominado cuarzo arenitas; es decir que están conformadas casi en su
totalidad por puro cuarzo (Gómez, Tunik, & Casadío, 2017). La cuarzoarenita es un tipo de
roca sedimentaria detrítica compuesta en más de un 90% por granos de cuarzo; la arcosa es
otro tipo de arenisca, de grano irregularmente redondeado, que contiene un mínimo de 25 %
de feldespato, por lo que también se conoce como arenisca feldespática, derivada de la
erosión acelerada de rocas ígneas o metamórficas. A su vez, las litoarenitas so arenitas con
más de un 25% de fragmentos de roca y pueden ser sedarenitas (con rocas sedimentarias
dominantes), volcarenitas (con rocas volcánicas dominantes) o filarenitas (con rocas
metamórficas dominantes) (Calzada, Contrera, & Lastra, 2019).
Conforme al tamaño de sus granos se clasifican en: fina, media o gruesa, y teniendo
en cuenta la naturaleza de los materiales cementantes. Casi siempre son resistentes y pueden
ser bastante friables debido al material cementante que contengan. Los cementantes se
pueden clasificar de acuerdo con su composición en convencionales, de desempeño mecánico
mejorado, y estructurales; cada uno de ellos tiene subclasificaciones, como se muestra en la
Figura 7.
37
Figura 7. Clasificación de los cementantes
Clases Subclases
Convencionales No aplica
Desempeño mecánico mejorado
Atómico a molecular estructurado
Nano o micro estructurados
Meso o macroestructurados
Multicomponentes
Estructurales Sistemas constructivos
Unidades constructivas
Fuente: Severino, Lazo, Ruiz y Sandoval (2017)
Con relación a las gravas, éstas se pueden clasificar en naturales o artificiales. Las
gravas artificiales son las partículas de suelo que poseen un tamaño mayor a 2mm y menor a
7,62 cm – 3”, surgen de las acumulaciones sueltas de fragmentos de roca. La grava casi
siempre se encuentra en los lechos y cercos de los ríos, así como en depresiones de terrenos
donde se acumula el material por el transporte de ríos y en muchos otros sitios donde las
gravas se re transportan. Las gravas artificiales están conformadas por materiales que poseen
particularidades parecidas a las naturales. Dentro de estas, se encuentran las que se consiguen
a través de procesos de fabricación, a través de restos de piedra de machaqueo; poseen formas
de ángulo, que cuando se mezclan con cemento y agua genera el concreto (Varas, Álvarez,
& Fort, 2007).
Las gravas naturales tienen la particularidad de ser fragmentos de roca que han
tolerado el proceso de erosión, transporte y sedimentación. Dentro de los ejemplos de la
variedad de gravas están: Granito, esquistos, gravas silíceas, gravas calizas. Las más comunes
son las silíceas y calizas. Las silíceas tienen la particularidad de que están constituidas
básicamente por cuarzo, gracias a la resistencia que poseen son usadas como agregados en
concreto y mezclas asfálticas. Entre tanto, la dureza de las gravas calizas es más reducida
38
debido a que están constituidas por especies diseminadas de diferente comportamiento
mecánico (Cortez & R., 2017), pero son también utilizadas en concreto y mezclas asfálticas,
ya que son bastante adhesivas al cemento y ligantes de bitumen; sin embargo, no se pueden
utilizar de manera exclusiva en mezclas asfálticas, puesto que según sus particularidades
provocan una rodadura resbaladiza. Se utilizan como agregados para concreto o para filtros
de presas, como material estructural y como rellenos en zanjas drenantes (Culma & Rojas,
2018).
El concreto se compone de la mezcla de cemento, grava, arena, agua y en algunos
casos se utilizan ciertos aditivos, que cuando alcanzan su estado sólido macizo, constituyen
un componente sólido que puede aguantar enormes esfuerzos de compresión. Dentro de la
mezcla se utilizan agregados fino y grueso, y gracias a la reacción química entre el cemento
y el agua comprime o junta las partículas de agregado; y de allí se forma un material firme y
resistente. El propósito de utilizar agua, es que ésta permita trabajar la mezcla, y
posteriormente alcanzar que esta mezcla presente un estado plástico que permita ser
ahormado para ser trabajado.
El concreto está compuesto por la pasta y los agregados, la pasta conforma la mezcla
que se da entre el cemento y el agua; esta pasta se une junto con los agregados (arena y grava)
con el fin de constituir un todo macizo similar a una roca. La resistencia que se espera
conseguir, obedece a la calidad de los materiales, agregados que al ser bien tratados y
triturados y que sigan las normas de calidad que se requiere para utilizar la mezcla.
De otra parte, los agregados de acuerdo con la norma sismo resistente de Colombia,
conforman un material granular integrado por arena, grava y piedra triturada. Los agregados,
39
conforman un elemento esencial a la hora de realizar un diseño de mezcla que cuente con
características físico-mecánicas de un concreto con un elevado nivel de resistencia. “Aunque
los agregados se consideran materiales inertes que actúan como relleno, representan del 60%
al 80% del volumen total del concreto. Las características de los agregados influyen
considerablemente en las proporciones de la mezcla y en el costo del concreto” (Love, 2006)
Agregado Grueso (Grava): Cuentan con un diámetro superior al tamiz No. 4 (4,75
mm) y llegan hasta el tamiz de 6” (150,0 mm); este tipo de agregado puede
manifestarse de fuentes naturales como explotación de depósitos de arrastres
fluviales, o ser fabricados a través de productos industriales o triturados.
El agregado grueso conforma uno de los elementos esenciales para la elaboración del
concreto, para lo cual se debe utilizar buena cantidad de este material, al igual que
éste sea de gran tamaño, con base en las estipulaciones de ubicación y resistencia.
Aunque, se debe elegir el tamaño de la grava teniendo en cuenta la resistencia a la
compresión que se busca, para resistencias habituales en Colombia (21 MPa), que
conforman la baja y mediana resistencia, se debe utilizar el tamaño más grande
posible de grava o agregado grueso (hasta 51 mm para muros, losas, vigas, pilares,
etc., de 30 cm a 1 m de espesor); y de manera contraria, si se busca una elevada
resistencia a la compresión, se elige grava más pequeña (hasta 19 mm), lo que permite
mayor eficiencia.
Agregado Fino (arena): Posee partículas con un diámetro inferior al tamiz No. 4 (4,75
mm), pero no inferior al tamiz No. 200 (0,074mm), esta clase de agregado se llama
habitualmente arena.
40
El agregado fino o arena se utiliza para saturar y completar, e igualmente, trabaja
como lubricante, ya que gracias a ella los agregados gruesos pueden deslizarse más
fácilmente y le permiten una mayor manipulación al concreto. Cuando falta arena, la
mezcla es más áspera; y cuando la mezcla se excede en arena, se necesita aplicarle
más agua con el fin de que pueda presentarse mayor asentamiento a la mezcla, puesto
que entre mayor cantidad de arena presente, ésta se vuelve más cohesiva; y cuando se
necesite más cantidad de agua, por ende requiere más cantidad de cemento con el fin
de preservar la relación agua-cemento (Giraldo & Ramos, 2014).
Saber de las propiedades mineralógicas de los agregados, posibilita definir la
capacidad que tienen los materiales, e igualmente, posibilita prever las dificultades que
pueden presentarse al fusionar el agregado con otros componentes que se requiere para la
conformación del concreto.
41
6.1. CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA DE AGREGADOS
6.1.1. Petrografía
La Petrografía es aquel campo de la geología que complementa la petrología, posee
la tarea de clasificar y describir las rocas a través de la microscopía óptica, posibilitando así
catalogarla teniendo en cuenta sus particularidades como son la textura, composición
mineralógica y estructuración de la roca (Servicio Geológico Mexicano, 2017).
Dentro del aspecto de la textura, se tienen en cuenta asuntos relacionados con el
tamaño y la forma de los granos, e igualmente, aquellos espacios vacíos, fisuras y poros de
la roca. (Esbert, Aonzo, & Ordaz, 2017).
La microscopía óptica conforma una práctica que posibilita reconocer los minerales
y las particularidades de las rocas de una manera precisa. Esta identificación se realiza a
través de un microscopio petrográfico que se muestra en la Figura 8, el cual es usado para
reconocer y estudiar los minerales traslúcidos de sección delgada, conforme a la apreciación
y análisis de la textura de la roca y sus propiedades ópticas.
Figura 8. Esquema microscopio micrográfico
Fuente: (Culma & Rojas, 2018) Fuente: (Zeiss, 2018)
42
Este microscopio está conformado por dispositivos ópticos que sirven como
polarizante, ocular y fuente de iluminación, se encuentran de manera habitual en cualquier
tipo de microscopio, y son usados para incrementar el tamaño de la imagen que se va a
estudiar. Esta clase de microscopio, cuenta con una luz polarizada que vibra en un único
plano por medio de la línea de propagación; esta luz se logra por la utilización de dos prismas
de calcita, uno de los cuales, denominado analizador, está localizado por encima de la
muestra de la roca, y el otro, denominado polarizador, está ubicado por debajo de la muestra.
Los dos prismas están ubicados de forma perpendicular a los planos de vibración (Franco &
Gonzálo, 2000).
Los componentes petrográficos son los elementos que conforman la roca como los
granos minerales, uniones concretas de cada mineral, fragmentos de roca, material
criptocristalino (vidrio volcánico y geles de sílice) o pueden ser los que conforman la matriz
y cemento, espacios vacíos como poros o fracturas discretas, entre otros. Ciertos
componentes petrográficos se encuentran presentes en todas las clases de rocas, bien sea en
granos minerales o poros, habitualmente presentes en rocas ígneas (volcánica) o
sedimentarias; también se encuentran estos componentes petrográficos en determinadas
rocas metamórficas e ígneas plutónicas, pero son escasos. Existen otros elementos
petrográficos como el vidrio volcánico que se encuentran en las rocas magmáticas volcánicas,
o cualquier otra clase de fracturas que se pueden observar en los diversos tipos de rocas
(Romero, 2010).
Existen rocas porosas como la caliza y la dolomía, que están compuestas por fases
minerales sólidas y por espacios vacíos que se llenan por fases diluidas como el aire y el
agua. La porosidad es aquel grupo de espacios que tiene la roca, los cuales se producen por
43
las fisuras, que pueden presentarse como fracturas a exfoliaciones, y bordes de grano abiertos
(2018). De igual manera, según Rodríguez (2006) la porosidad constituye otro elemento
petrográfico que tiene incidencia en el comportamiento tanto físico como mecánico de la
roca, está integrada por dimensiones vacías que conforman, junto con las demás fases
minerales, el volumen total rocoso, y cuenta con particularidades y componentes texturales;
tales como el tamaño, forma y configuración que aportan a la textura de la roca, aunque posee
una variante esencial, con relación a las etapas minerales, en referencia a la continuidad que
habitualmente poseen los espacios vacíos, conformando lo que se llama sistema poroso
(Rocha, Becerra, Benavente, Cañaveras, & Costa, 2019). La porosidad puede analizarse por
métodos que van de la observación visual a la microscopía óptica de polarización (MOP), la
microscopía electrónica de barrido (MEB), la microscopía de fluorescencia (Culma & Rojas,
2018), u otras técnicas, como por ejemplo la porosimetría de mercurio que, según Becerra
(2017), posibilita obtener la adjudicación de las entradas de poros en los materiales rocosos
que se analizan, consiguiendo información que tiene que ver con geometría, diámetro de poro
y porosidad total, lo que a su vez posibilita comprender los procesos de desgaste o deterioro
vinculados con la mecánica de tránsito de fluidos en las rocas arenísticas; se pueden llevar a
cabo para analizar la porosidad y casi siempre, la observación se lleva a cabo bajo una
preparación apropiada de las muestras pulidas (Culma & Rojas, 2018).
De otra parte, se encuentra el análisis petrológico que consiste en efectuar el estudio
de las características o cualidades petrográficas de una roca, donde se requiere comprender
el vínculo que está presente entre la durabilidad y la mineralogía de la roca. Fuera de la
composición mineralógica de un componente, éste necesita tener una buena textura y
estructura (Fort, 2009). Con relación a la textura, según Pazeto & Artur (2015) ésta tiene que
44
ver con la total apariencia microscópica de la roca que abarca tanto la forma, granulación, la
manera como se vinculan y cómo se distribuyen los minerales. El análisis que se haga de
éstos es fundamental para pronosticar la durabilidad de una roca que se va a someter a
fricción, esfuerzos compresivos y flectores, y a la posibilidad de propagación de líquidos,
con base en la microfisuración. El otro componente petrográfico, según Meyer, Wernick &
Artur (2002) es la estructura de la roca, que muestra el comportamiento tecnológico de ésta,
puesto que simboliza sus irregularidades físicas, las cuales tienen injerencia básicamente en
la percolación de fluidos, en la resistencia mecánica, así como en la velocidad de propagación
de ondas longitudinales (Rocha, Becerra, Benavente, Cañaveras, & Costa, 2019)
Existe un proceso para el análisis petrográfico, este proceso se lleva a cabo por medio
de una especificación visual, primeramente, precisando aspectos de la roca, como su textura,
color, dureza, tamaño del grano; y si se puede, reconocer los minerales que la conforman.
Después, se realizan las observaciones microscópicas reconociendo particularidades como la
composición mineralógica, forma y color de los cristales, y material cementante (Gmas
Laboratorio de Geología, 2017).
Para observar la caracterización mineralógica a través de la petrografía, se efectúa por
medio de la microscopía de luz polarizada, estudio esencial puesto que permite establecer en
sección delgada los minerales que conforman la roca, su porosidad, nivel y tipos de fisuras;
a través de este estudio, posibilita vincularlas con las propiedades mecánicas, además de que
se utiliza como mecanismo para dictaminar las patologías y dificultades de proyectos dentro
de la ingeniería civil (Buitrago & Becerra, 2018)Las secciones delgadas, utilizadas para
efectuar la microscopía óptica o petrografía, son láminas de muestras de roca, cortadas y
pulidas que tengan un espesor de 0,03 mm y dimensiones de 3cm de ancho por 5 cm de largo;
45
se ubican sobre portaobjetos de vidrio de resina. La labor que desempeñan estas láminas es
tener un espesor lo más reducido que se pueda para posibilitar la transmisión de la luz (Franco
& Gonzálo, 2000).
Con el fin de realizar análisis más precisos que los que se consiguen a través de la
petrografía, se puede utilizar técnicas que posean un mayor grado de detalle, como lo son los
rayos X y el microscopio electrónico (Servicio Geológico Mexicano, 2017).
Existen otras técnicas que son complementarias a la petrografía como son el
microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscopy) (SEM-EDS) por sus
siglas en inglés, que según Carretero & Pozo (2007) corresponde a una práctica que permite
tomar determinaciones convenientes cuando se va a otorgar las características tanto de
partículas como de superficies minerales que no pueden ser percibidos a través de la
microscopía óptica, esta técnica posee un rango de incremento que va desde los 20X hata los
100.000X, y el límite de resolución es de 0,01 m. También existe la técnica por difracción
de rayos X (DRX) que es una práctica no devastadora y bastante utilizada para la
particularización y reconocimiento de las fases mineralógicas, primordialmente de los
dedimentos y rocas que cuentan con mineralogía arcillosa; técnica que se fundamenta en la
intromisión de los rayos X con la muestra que se va a estudiar y su correspondiente red
cristalina, puesto que los rayos X poseen una longitud de onda parecida al espaciado
interplanar de las estructuras cristalinas (Castillo, 2016).
Dentro de las clases de observaciones que se le pueden efectuar a las rocas y que se
pueden lograr por medio del microscopio petrográfico, son las que se llevan a cabo conforme
al sistema de polarización e iluminación: Obervación en luz natural, en luz polarizada y en
46
luz convergente, a través de estos métodos se puede conseguir multiplicidad de información,
con la cual se logra una observación detallada de los minerales.
Observaciones en luz natural: Este método, se fundamenta en que la observación se
efectua a través de un prisma inferior, que no debe cruzar el analizador superior. Con
esta clase de observación se puede determinar el color, la exfoliación y el relieve de
los minerales. El relieve que comprende el índice de refracción equiparado con los
minelares que lo circundan, conforma una de las fundamentales particularidades que
muestran los minerales al analizarlos a través del microscopio, de igual forma el color
(ver Figura 9). Este proceso se realiza en una lámina de sección delgada, donde los
minerales “oscuros” habitualmente muestran múltiples colores que posibilitan
identificarlo. De otra parte, los minerales que muestran distintos colores, pueden ser
pleocróicos, lo que significa, que el color se transforma, según la posición de los
índices con relación al plano del prisma inferior (Dorado, 2015).
Figura 9. Diferentes colores de granitos
Granito Amarello Ouro Brasil
Granito Cotton White
Granito Verde Pavao
Granito Preto Sâo Gabriel
Fuente: Becerra y Costa (2007)
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Observaciones en luz polarizada: Se efectuan con dos prismas cruzados, en esta clase
de observación, el color también constituye una particularidad esencial para
reconocer el mineral. El color surge de la interferencia de la luz con el mineral, se
llama color de birrefringencia, que consisten en la diferencia de los índices de
refracción. Es apropiado saber con precisión el espesor de la lámina delgada; aunque
el color de interferencia no unicamente es una particularidad específica de las
observaciones con luz polarizada, ya que hay otro ángulo de extinción, que es el que
surge entre uno de los indices de refracción y una traza de un eje de simetría conocido.
Todos estos rangos cambian, conforme a la composición de los minerales que
conforman soluciones sólidas como plagioclasas, piroxenos, anfiboles, etc (Dorado,
2015).
Observaciones en luz polarizada convergente: Según Dorado (2015), a tavés de un
polarizador superior cruzado, se puede efectuar las observaciones con luz polarizada
convergente. Con este polizarizador se pueden reconocer las figuras de interferencia
con el fin de definir el signo óptico del mineral. Estas figuras surgen encajando el
lente de Bertrand o quitando el lente ocular del microscopio. Surgen por una cruz
apagada que se denomina la figura uniáxica, o por dos ramas hiperbólicas en dos
cuadrantes opuestos del retículo denominadas figuras biáxicas. A través de estas
figuras se pueden reconocer los minerales uniáxicos (un eje óptico), por sus métodos
trigonal, hexagonal y tetragonal; de los minerales biáxicos (dos ejes ópticos) con sus
sistemas monoclínicos, triclínicos y rómbicos (Culma & Rojas, 2018)
La petrografía constituye el campo de la petrología que se encarga de la especificación
y clasificación de rocas a través del análisis microscópico de láminas delgadas que contituyen
48
las rocas de estudio en un microscopio petrográfico, organizándolas de acuerdo con sus
propiedades físicas y composición mineralógica. Este estudio petrográfico termina con un
informe final que debe ser totalmente claro y preciso, y con una descripción de los analisis y
procesos efectuados durante este estudio; y por último mostrar la interpretación de los
resultados buscando dar solución al planteamiento del propósito buscado con el estudio.
Los agregados usados para la elaboración de concreto no unicamente deben ser
evaluados a nivel petrográfico, sino tambien en cuanto a sus características físicas. El análisis
petrográfico abarca el estudio de una muestra característica de un banco de agregados, que
se analiza con el fin de definir sus propiedades físicas y composición mineralógica. El análisis
consiste en cribar los materiales; las partes o fragmentos que quedan, se deber estudiar de
manera separada, definiendo la cantidad de cada componente de la muestra.
De cada parte que se retiene, se debe estudiar por lo menos 300 particulas y registrar
el número de partículas con relación a los componentes reconocidos. Mientras dure el
estudio, se deben analizar las partículas, a fin de definir si presentan alguna clase de
recubribimiento y definir si estos recubrimientos pueden ser perjudiciales para el concreto y
qué tan ligados o pegados están estos recubrimientos a las partículas. Se debe definir si se
requiere reclasificar de manera posterior; de acuerdo con las características físicas, si todas
las partículas que conforman una clase de litología se encuentran comparablemente en
condiciones, se deben reportar.
En el transcurso del estudio petrográfico de los agregados pétreos, las condiciones
que se requiere tener en cuenta para este proceso son: Sanas, densas, inteprerizadas, porosas,
etc., de estas condiciones, se deben reconocer como máximo para poder desarrollar el análisis
49
petrográfico. Dentro de las características que se deben observar, están: Forma, textura,
tamaño de grano, estructura, poros, compacidad, cementación, color, composición
mineralógica, condiciones físicas generales; e igualmente, elementos que se consideran que
pueden ser dañinos para el concreto (ver ejemplo en Figura 10).
Figura 10. Metodología para la clasificación petrográfica
Fuente: Cubides, Molano, Becerra y Bernal (2018)
Por último, se debe determinar la composición de lo que queda en cada malla de una
muestra variada y el promedio en masa de la composición de toda la muestra (Dávalos, 2016).
6.1.2. Análisis químicos y mineralógicos
Los agregados mantienen la composición mineralógica de la roca que los originó; los
ensayos en laboratorios permiten detectar la presencia de sustancias dañinas o elementos
geológicos o mineralógicos que puedan reaccionar en la masa de concreto y estropeen sus
propiedades de manera perjudicial; los elementos geológicos se refieren a los elementos
naturales que componen los agregados, mientras que los elementos mineralógicos se refieren
concretamente a los que se encuentran en un yacimiento específico (Mojica & Eslava, 1988).
Una de las que más se presenta es la sílice activa, que conforma una reacción donde los
agregados con presencia de óxidos de silicio en sus formas inestables se reactivan con los
50
hidróxidos alcalinos del cemento, generando un gel que incrementa el volumen cuando va
impregnándose de agua, produciendo presiones internas en el concreto presentándose en éste
la relacionada expansión, agrietamiento y ruptura de la pasta de cemento.
Actualmente únicamente se conoce una reacción química favorable de los agregados,
y es la denominada epitaxia, que brinda una mejor consistencia entre ciertos agregados
calizos y la pasta de cemento, con el transcurrir del tiempo (Durán & Velásquez, 2016). La
epitaxia consiste en el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una
relación definida con respecto al substrato cristalino inferior (Linares, 2015).
La composición mineralógica se define usando la técnica de difracción de rayos x o
X-Ray Diffraction (XRD) por sus siglas en inglés, vinculadas con análisis químicos,
térmicos, petrográficos y de microscopía electrónica de barrido (MEB) se basa en un
Scanning Electron Microscope (SEM), esta técnica de microscopía permite analizar mejor la
morfología de los minerales arcillosos, de manera que se estudia la distribución de éstos
dentro de los poros; con el uso de ésta técnica se posibilita la observación tridimensional de
aspectos texturales a incrementos elevados, y en unión con la difracción de rayos x posibilita
verificar con mayor certeza el diagnóstico mineralógico (Morales, George, Lopez, Vega, &
Alonso, 2015). En cuanto a la difracción de rayos, es una práctica instrumental que posibilita
reconocer las fases cristalinas o planos cristalográficos en muestras sólidas de compuestos
químicos o minerales. La técnica se basa en la ley de Bragg, que instaura un vínculo directo
entre el ángulo de incidencia de los rayos X y la distancia entre dos planos del cristal; por
medio de esta técnica se pueden reconocer minerales arcillosos, puesto que éstos poseen la
particularidad de ser pequeños, y que no es tan fácil de observar a través de un microscopio
habitual. Los diferentes registros continuos de difractogramas, y la posterior realización de
51
postratamientos, posibilitan distinguir las especies y grupos de minerales de arcilla que se
pueden detectar más precisamente al fusionar los datos surgidos por este método y los que se
consiguen con los análisis químicos.
Otras precisiones se efectúan a través del estudio termogravimétrico (TGA) que
señalan cómo reaccionarían determinados compuestos a cierta temperatura, esenciales datos
para las fases de cocción y horneado de piezas.
De otro lado, el análisis químico de los minerales, posibilita distinguir los
componentes que existen en la muestra y en qué proporción están en la mezcla mineral
natural, aunque esta técnica no permite saber la forma como están fusionados en la muestra
ni su nivel de oxidación. Habitualmente, con el análisis químico se definen los siguientes
elementos: Silicio, aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio (Servicio Geológico
Colombiano, 2019). Las pruebas físicas se utilizan comúnmente para caracterizar el agregado
antes de que un ingeniero lo especifique para su uso; sin embargo, las pruebas de detección,
como las de absorción de agua y gravedad específica, no identifican de inmediato las
deficiencias potenciales que justificarían más pruebas. En la actualidad, no se dispone de una
sola prueba para determinar las posibles deficiencias químicas y mineralógicas del agregado
grueso. Además, surgen problemas de costos y reproducibilidad de resultados para los
productores de agregados. Los resultados obtenidos por un laboratorio de pruebas
independiente o por el laboratorio de un productor pueden ser inexactos, lo que causa malas
interpretaciones que conducen a una aceptación o rechazo injustificado de un agregado
grueso. El análisis químico es generalmente más exacto y preciso que las pruebas físicas. Se
sabe que las propiedades químicas varían dentro de límites establecidos identificables antes
de la prueba. También se conoce el rango de precisión para una única prueba de laboratorio.
52
Se pueden comparar dos pruebas con resultados similares que tienen un límite de precisión.
Si los resultados de ambas pruebas caen dentro de este límite de precisión, entonces las
pruebas pueden considerarse cada vez más válidas. Los resultados de un análisis químico
exacto y preciso pueden correlacionarse tentativamente con los de las pruebas físicas simples
con un mayor grado de certeza (Davis, 2003).
Se han usado distintos procedimientos como la gravimetría, volumetría,
complexometría y ciertas técnicas mecánicas como clororimetría, para efectuar el estudio a
través de vía húmeda. Hoy en día la utilización de absorción atómica y fluorescencia de rayos
X, permite llegar a alcanzar estudios más completos y efectivos. Los resultados del estudio
elemental se señalan en los respectivos óxidos, de acuerdo a su aceptación a nivel mundial.
En determinadas ocasiones, se efectúan otros análisis químicos, de manera singular
cuando se quiere saber la existencia de determinados aniones, principalmente en sulfatos y
sulfuros que pueden responder en el proceso industrial y son formadores potenciales de
eflorescencia en los productos. Se puede señalar que los resultados de los estudios químicos
en unión con los resultados de los estudios mineralógicos brindan un valioso conocimiento
para la formulación de pastas y el control del proceso.
Actualmente existen nuevas prácticas, principalmente para utilizar en estudios
concretos y especializados, dentro de las cuales se pueden señalar las técnicas o metodología
fundamentadas en estudios por espectroscopía infrarroja, con los cuales se definen los grupos
funcionales que están presentes en el sólido, la espectroscopía Raman que se fundamenta en
el estudio de estructuras moleculares (Servicio Geológico Colombiano, 2019).
53
Los agregados que se utilizan en la construcción se pueden conseguir a través de la
explotación de bancos de material, depósitos de rocas que aparecen en la superficie de la
tierra o por extracción del material que traen consigo los ríos. Los agregados utilizados para
concreto presentan características o propiedades físicas y mecánicas que se mencionan a
continuación.
6.1.3. Características físicas
Granulometría: Hace alusión al tamaño de las partículas y la proporción de estas
dentro de la masa de agregado. La granulometría se define a través del estudio
granulométrico, que radica en hacer pasar cierta cantidad de agregado por medio de
una sucesión de tamices estándar. Esta operación de tamizado se debe efectuar
conforme a la norma INVE 123-07 (Hinojosa, y otros, 2018).
La granulometría tiene que ver con la distribución del tamaño de las partículas que
constituyen la masa de agregado. Para efectuar el estudio granulométrico de una
muestra se pasa el agregado por medio de una serie de tamices conforme lo señala la
NTC 77 (Rivera, 2013). Una de las características con que cuenta la granulometría,
son los límites que Son diversas las causas que motivan para detallar los límites de la
granulometría que debe poseer un agregado que se usa para elaborar concreto, puesto
que esta particularidad tiene que ver con el porcentaje a utilizar de los agregados, el
nivel de agua y cemento a utilizar, la maleabilidad, la economía, la porosidad y la
duración del concreto (Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, Diseño y control de
mezclas de concreto, 2004).
54
De acuerdo con la NTC 174 que sugiere los límites granulométricos para el agregado
fino y grueso como se señala en las Tablas 2 y 3 a continuación.
Tabla 2. Límites para estudio granulométrico agregado fino
Tamiz NTC 32 (ASTM E 11) Porcentaje que pasa
9,5 mm 100
4,75 mm 95 a 100
2,35 mm 80 a 100
1,18 mm 50 a 85
600 µm 25 a 60
300 µm 10 a 30
150 µm 2 a 10
Fuente: (Culma & Rojas, 2018)
Tabla 3. Límites de gradación para agregado grueso
Fuente: (Culma & Rojas, 2018)
Curvas granulométricas: Es aquella curva que posibilita una mejor observación con
relación a la distribución de los agregados. En éstas, se muestran sobre las ordenadas
en escala aritmética, la proporción que pasa por medio de los tamices, y sobre las
abscisas, en escala logarítmica, la abertura de los tamices. Esa curva posibilita
conocer el tamaño máximo nominal, el módulo de finura y el porcentaje de finos
(Hinojosa & et. al., Caracterización físico-mecánica de los agregados pétreos
(materiales de arrastre y canteras) del municipio de Dosquebradas, 2018). Esta curva
55
se utiliza para interpretar apropiadamente la granulometría del agregado, se muestran
en la gráfica los resultados donde se refleja la proporción que pasa en el eje de las
ordenadas, y la abertura de los tamices se ubica en el eje de las abscisas en escala
logarítmica (Culma & Rojas, 2018)
Módulo de finura: Se define con base en lo señalado en la NTC 77 y se describe como
el factor que posibilita instaurar qué tan fino o grueso es un material (Rivera, 2013).
Se define por la sumatoria de los porcentajes retenidos acumulados en los tamices:
100, 50, 30, 16, 8, 4, 3/8“, ¾” 1 ½ “; y los siguientes tamices con relación de 1 a 2,
dividido en 100. Con relación al nivel de finura de los agregados utilizados en
concreto, no deben estar por debajo de 2,3 ni por encima de 3,1. El tamaño máximo
del agregado perjudica básicamente la economía del concreto, puesto que un agregado
grueso con tamaño máximo superior, requiere de más cantidad de agua y cemento,
con relación a tamaños máximos por debajo, al incrementar el área superficial. El
tamaño máximo del agregado tiene que ver con la resistencia del concreto (Culma &
Rojas, 2018).
Redondez: Tiene que ver con la forma del borde, si la partícula posee aristas bien
determinadas, se conoce que tiene redondez angular, pero si sus aristas están gastadas
por la erosión o el rozamiento del agua, estas partículas se llaman partículas
redondeadas (Hinojosa, y otros, 2018).
Esfericidad: Se da por la relación entre el área superficial y el volumen (…) teniendo
en cuenta la esfericidad, las partículas se pueden catalogar como esféricas cúbicas,
tetraédricas, laminares y alargadas (Hinojosa, y otros, 2018).
56
En la Figura 11, se presenta la equiparación por características de un grano de arena
de acuerdo con su grado de redondez y esfericidad.
Figura 11. Comparación de caracterización por redondez y esfericidad de un
grano de arena
Fuente: (Culma & Rojas, 2018)
La forma que presenta el agregado tiene que ver con las características del concreto
en estado fresco y endurecido, básicamente en temas para su manejabilidad y
resistencia. Las partículas de forma angular, incrementan los vacíos entre partículas,
y necesitan de más agua para mejorar su manejabilidad, frente a los agregados
redondeados y compactos. Sin embargo, los agregados que tengan formas angulares
permiten mayor adhesión entre la mezcla y el cemento, mejorando la resistencia
flexión a compresión (Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, Diseño y control de
mezclas de concreto, 2014).
Se debe señalar que las partículas planas y alargadas producen concretos de no muy
buena calidad, puesto que son endebles y quebradizos con facilidad cuando se está
57
fabricando el concreto. Bajo la norma NTC 385 está descrita la partícula alargada
como aquella donde la relación longitud y ancho es superior a 1,5, mientras que una
partícula plana es la que tiene una relación espesor y ancho (d/b) inferior a 0,5. (Culma
& Rojas, 2018)
Textura: Esta propiedad se genera por la roca madre y es la que se encarga de la
adherencia del agregado y la fluidez de las mezclas de concreto. Teniendo en cuenta
la textura superficial, se puede decir que el agregado es: Liso o pulido (material de
río) o áspero (material triturado) (Giraldo O. , 2003). Esta característica tiene
injerencia directa con la calidad del concreto fresco y con la resistencia a la
compresión y flexotracción del concreto. Cuando existe mayor rugosidad significa
mayor área de contacto con la pasta de cemento; por lo tanto, se requiere más pasta
de cemento para poder conseguir mayor trabajabilidad del material, Aunque la
rugosidad provoca mayor adherencia del agregado a la pasta, y así se mejora la
resistencia, sucediendo lo contrario con un área lisa (Culma & Rojas, 2018)
Porosidad: Cuando ésta es mayor, se incrementa la fuerza que tiene el material para
adherirse, lo que genera que los agregados gruesos que cuenten con porosidad baja,
alcanzarán mayor densidad y resistencia frente al desgaste, pero su adherencia será
inferior (Romero, 2010).
Absorción: Es la cantidad de agua que se requiere para alcanzar la saturación de los
agregados, se expresa teniendo en cuenta la masa de los materiales en estado seco
(Rivera, 2013). En la Figura 12 se muestran las distintas condiciones de humedad
como se pueden hallar los agregados.
58
Figura 12. Condiciones de humedad de agregados
Fuente: (Culma & Rojas, 2018)
Según las condiciones de humedad, los agregados que son utilizados para el concreto
le pueden brindar o reducir agua a la mezcla, porque el agua libre que queda después
de la saturación del agregado, es la que reacciona con el cemento. De esta forma, si
la humedad que tiene el agregado, supera su absorción, el agregado posee agua libre
y le brinda a la mezcla (Rivera, 2013).
La absorción para los agregados finos está dada en las normas NTC237 y para los
agregados gruesos en la NTC 176. Se estima que un agregado grueso es de buena
calidad si tiene una absorción inferior a 3%, y para los agregados finos la absorción
debe ser inferior a 5% (Culma & Rojas, 2018)
Densidad: Consiste en la relación que existe entre la masa y el volumen de masa
definida. Según las condiciones de humedad que posean los agregados, hay distintas
clases de densidad: Absoluta, nominal o aparente. Para diseñar mezclas de concreto
se usa la densidad aparente, que es la relación entre el peso seco de las partículas y su
volumen, abarcando los poros saturables y no saturables. La utilización de esta clase
de densidad para el diseño de mezcla se genera porque, los poros interiores del
agregado poseen un volumen al interior de la masa de concreto y el agua que está
59
presente en los poros saturables, no conforma el agua de la mezcla. La definición de
la densidad aparente en los agregados finos se halla a través de la NTC 237 y para
definir la de los agregados gruesos se utiliza la NTC 176. De manera habitual el valor
de la densidad de éstos oscila entre 2,3 g/cm3 y 2,8 g/cm3 (Culma & Rojas, 2018).
Densidad aparente: Está determinada por la relación que se da entre el peso y el
volumen de las partículas de este material, abarcando todos los poros, tanto saturables
como no saturables. La densidad aparente obedece a su composición mineralógica y
la cantidad de poros que posea (Hinojosa, y otros, 2018)
Resistencia al fuego: Esta particularidad que muestra el concreto, tiene que ver de
cierta forma por la composición de los agregados que se usan para su creación. Los
agregados ligeros manufacturados, y ciertos agregados naturales tienen más
resistencia al fuego, que los que tienen peso normal, en relación a sus propiedades
aislantes y estabilidad con relación a las temperaturas elevadas. Aquellos concretos
que poseen agregado grueso calcáreo, tienen mejor comportamiento cuando se
exponen al fuego, que aquellos conformados por cuarzo o agregados silíceos, como
por ejemplo los granitos y cuarcita. (Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, Diseño
y control de mezclas de concreto, 2014)
6.1.4. Características mecánicas
Resistencia: Tiene que ver con la estructura de los granos de la partícula y el proceso
de trituración y explotación. Gracias a esta particularidad, se posibilita generar una
idea con relación al comportamiento del agregado en el concreto con relación a la
resistencia y la trituración (Hinojosa, y otros, 2018).
60
Resistencia al desgaste: Conforma el punto de partida para definir la calidad que tiene
el agregado, siendo una particularidad esencial para aquellos agregados que tienen
que soportar cargas elevadas como los pavimentos y pisos de servicio pesado
(Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, Diseño y control de mezclas de concreto,
2014).
Con relación al agregado fino, se estima que las arenas de río tienen particularidades
más convenientes a causa de que están conformadas en su gran mayoría por cuarzo.
En cuanto a las gravas, se valora la resistencia al desgaste o abrasión a través del
ensayo en la máquina, conforme a lo estipulado en la NTC 98 y la NTC 93, de acuerdo
como corresponda (Culma & Rojas, 2018). Las determinaciones señalan que el límite
requerido de proporción de desgaste tiene un tope de 40% (Rivera, 2013).
Dureza: Conforma la resistencia que brinda el agregado por la acción del roce y
desgaste diario. Para definir esta propiedad se usa el ensayo de resistencia al desgaste
en la máquina de los ángeles, de acuerdo con la norma INVE 218-07, ensayo que se
utiliza para señalar la calidad relativa o la injerencia de las distintas fuentes de
agregados pétreos de composiciones mineralógicas parecidas (Hinojosa, y otros,
2018). Tiene que ver con la resistencia del agregado con relación a la fricción con
otras partículas y el desgaste por el uso diario. Se define con base en la NTC 98 o
NTC 93. (Culma & Rojas, 2018).
Sanidad de los agregados: Hace alusión a la capacidad que tienen para tolerar
gigantescos cambios de volumen por la acción del intemperismo. Esta propiedad se
presenta a causa de la procedencia de los agregados, por la granulometría, la forma,
61
la textura y su porosidad. Para poder definir la sanidad del agregado, se llevan pruebas
en el laboratorio, que radican en someter a los agregados clasificados por tamaño, a
saturación dentro de una solución de sulfato de sodio; posteriormente se llevan a
secado al horno, se efectúa el análisis cualitativo y cuantitativo con el fin de definir
la proporción de agregado no desgastado por la acción del sulfato. Este ensayo busca
multiplicar rápidamente la acción de los procesos de calentamiento, enfriamiento,
humectación, secado y deshielo (Hinojosa, y otros, 2018).
6.1.5. Caracterización físico-mecánica
6.1.5.1. Análisis granulométrico de los suelos por tamizado (I.N.V.E-123)
El objetivo del ensayo es determinar la distribución de tamaños de las partículas, de
agregados gruesos y finos de un material, por separación a través de tamices de abertura
cuadrada dispuestos sucesivamente de mayor a menor abertura, quedando retenida parte de
la muestra en cada tamiz (Chavarry, Figueroa, & Reynaga, 2019). Es representado en una
gráfica el porcentaje que pasa en cada uno de ellos, con lo que puede valorarse la continuidad
de la curva granulométrica, o si, por el contrario, se trata de una mezcla con un solo tamaño
de grano.
Figura 13. Juego de tamices para la gradación de suelos
Fuente: Botía (2016)
62
6.1.5.2. Resistencia al desgaste
Se realiza a los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1 ½”) por medio de la
máquina de Los Ángeles (I.N.V.E E-218) (Karpuz, Akpinar, & Aydin, 2017). El ensayo tiene
por objeto determinar la resistencia de un agregado grueso al desgaste; la denominada
máquina de los Ángeles hace referencia a un cilindro hueco de acero, cuyos extremos se
encuentran cerrados y cuenta con un agujero para la introducción de los áridos. El cilindro
está dispuesto de forma que pude girar horizontalmente. En el cilindro se introducen esferas
de acero que cumplen una función abrasiva y luego se hace girar un determinado número de
vueltas. Hecho lo anterior, la parte de la muestra es separada y se pasa a través del tamiz
Nº12, para determinar el coeficiente de desgaste de los ángeles. Ese coeficiente se calcula
como la diferencia entre el peso inicial que tenía la muestra y su peso final tras el ensayo y
se expresa como porcentaje del peso inicial. Si sucediera que fuera muy alto el desgaste
debido al material, se establece que el agregado es muy frágil o de baja calidad, pero si ese
desgaste es bajo, el agregado se considera resistente.
6.1.5.3. Peso específico y absorción de agregados finos (I.N.V. E-222)
El objetivo de este ensayo es determinar el peso específico aparente de los agregados
finos, así como también la absorción que presenta el agregado después de estar 24 horas
sumergido en agua (Rodríguez & Sandoval, 2017). Teniéndose que el peso específico
aparente es la relación entre el peso en el aire del agregado y el peso de agua correspondiente
a su volumen aparente. Para este se deja una muestra representativa de agregado sumergido
en agua por un lapso de 24 horas, transcurrido este tiempo se decanta cuidadosamente el agua
de la muestra y con la ayuda de un molde cónico y una varilla para apisonado se comprueba
si la muestra se encuentra en estado saturado superficialmente seco (SSS), este estado se
63
obtiene cuando al retirar el molde solo se desmorona la parte superficial del agregado.
Seguidamente se llevan 250g de agregado en estado SSS, a un picnómetro previamente
tarado y se llena con agua destilada hasta un 90% de su capacidad. A continuación, se elimina
el aire atrapado en el recipiente, agitándolo e introduciendo el picnómetro a un baño maría
por un periodo necesario para retirar el aire atrapado. Transcurrido este tiempo se enrasa con
agua a igual temperatura, se seca rápidamente su superficie y se determina su peso total
(picnómetro, muestra y agua). Finalmente se saca la muestra del picnómetro y se lleva al
horno a 105 º C hasta peso constante, se deja enfriar y se toma el peso seco.
Figura 14. Preparación de muestra de agregado fino para ensayo de peso específico
Fuente: Ampérez (2019)
6.1.5.4. Peso específico y absorción de agregados gruesos (I.N.V. E-223)
Este ensayo tiene como objetivo, determinar el peso específico aparente de los
agregados gruesos, como también la absorción que presenta el agregado después de estar 24
horas sumergido en agua (Agamez & Castaño, 2020). Teniéndose que el peso específico
aparente es la relación entre el peso en el aire del agregado y el peso de agua correspondiente
a su volumen aparente. Este ensayo consiste en dejar una muestra representativa de agregado
sumergido en agua por un lapso de 24 horas, transcurrido este tiempo se decanta
cuidadosamente el agua de la muestra y con la ayuda de un paño absorbente se retira el agua
64
superficial visible en el agregado y se toma el peso en dicho estado, el cual se denomina
saturado superficialmente seco (SSS). Luego se coloca la muestra en el interior de una
canastilla metálica y se determina su peso sumergida en el agua, a una temperatura entre 21°
y 25°C. Se debe tener en cuenta que la canastilla y la muestra deberán quedar completamente
sumergidas durante la pesada y el hilo de suspensión será lo más delgado posible para que su
inmersión no afecte a las pesadas. Finalmente se seca la muestra en horno a una temperatura
entre 100° - 110 °C, hasta peso seco constante. A continuación, se deja enfriar y se pesa la
muestra seca.
Figura 15. Peso de muestra sumergida de agregado grueso para ensayo de peso
específico
Fuente: Shakouri y Trejo (2018)
6.1.5.5. Equivalente de arena de suelos y agregados finos (I.N.V. E - 133)
Este ensayo tiene por objeto determinar la proporción relativa del contenido de polvo
fino nocivo, o material arcilloso, en los suelos o agregados finos dando como resultado un
valor empírico de la cantidad relativa de finos y material arcilloso presente en la muestra de
suelo o agregado fino (Olivos & Vega, 2016 ). Para este se introduce una muestra de agregado
en una probeta en la que se encuentra una solución floculante; después de mezclados, se
agregado agua y se deja en reposo por 20 minutos. Pasado este tiempo, se observa el agregado
65
limpio que queda en la parte baja, partículas contaminantes se localizan en la altura
intermedia, mientras que en la superficie se localizan el líquido en situación de relativa
limpieza.
Figura 16. Montaje de equipo para ensayo equivalente de arena
Fuente: Wang, Deng y Taheri (2018)
Observando la relación entre la altura de cada parte de la probeta, se determina el
equivalente de arena. En el análisis de resultados se define como agregado muy contaminado
el que tiene un equivalente de Arena menor de 20 y como agregado muy limpio el que tiene
un equivalente de arena mayor que 50.
6.2. REACCIONES NOCIVAS EN EL CONCRETO
Es sabido que ningún agregado es totalmente inerte dentro del concreto, ya que, por
su permanente contacto con la solución de poro intensamente alcalina, a causa de la
hidratación del cemento, hace que surjan distintas reacciones. Ciertas de estas reacciones son
beneficiosas ya que aportan para el mejoramiento de la unión pasta/agregado, pero otras se
consideran dañinas, ya que los productos de reacción se propagan a causa del agua, y
66
producen presiones internas que pueden llegar a fracturar el concreto. Estas reacciones
deletéreas que comúnmente se llaman álcali-agregado, han surgido a raíz del deterioro
prematuro de diversas estructuras de concreto en casi todo el mundo. Dentro de ellas
participan ciertas rocas y minerales que a veces se hallan en los agregados y álcalis que
habitualmente se incorporan a la solución de poro del concreto (óxidos de sodio y potasio)
que vienen especialmente en el cemento. Para que pueda generar efectos perjudiciales este
tipo de reacción en el concreto, deben presentarse los factores que se señalan a continuación.
Existencia en los agregados de rocas y minerales reactivos con los álcalis, en
magnitudes determinantes. Que haya un contenido elevado de álcalis que se
encuentren en el concreto y que puedan reaccionar con dichos agregados.
Bastante presencia de solución de poro en el concreto y que está en relación con los
agregados. Dentro de las reacciones álcali agregado existen tres variantes: Dos de las
cuales son formas básicas que se llaman reacciones álcali- sílice y álcali-carbonato, y
la tercera se considera accesoria y se llama álcali-silicato o sencillamente cemento-
agregado. Por frecuencia y extensión, la reacción álcali-sílice posee el primer lugar a
causa de su amplio margen y que se presenta en casi todo el mundo, posteriormente
está la reacción álcali-carbonato, ya que no es tan habitual y tampoco se presenta tanto
a nivel mundial, y la reacción álcali-silicato ha surgido de manera más circunscrita en
regiones de Estados Unidos (Del Rosal, 2020).
El concreto se estima como un material de construcción bastante usado a nivel
mundial, sin embargo, se encuentra expuesto a manifestaciones patológicas que surgen de
los materiales que lo conforman y del ambiente donde están expuestos. Ese tipo de patología
67
tiene que ver con la durabilidad de las estructuras que utilizan el concreto, siendo un
obstáculo para su vida útil.
Existen diversos procesos de deterioro que obstaculizan la durabilidad del concreto,
se clasifican en procesos químicos y físicos. Dentro de los procesos químicos está la
corrosión del refuerzo, carbonatación, penetración por iones cloro, ataque por sulfatos y
reacción álcali-agregado. Esta reacción álcali-agregado (RAA) conforma una reacción lenta
que se presenta a nivel interno de la masa de concreto, y está formada por la reacción que se
genera entre algunos minerales de los agregados e hidróxidos alcalinos que son
habitualmente naturales del cemento, que pueden afectar el funcionamiento de las estructuras
que han sido perjudicadas. Existen diversas obras de concreto que han sido afectadas por la
reacción álcali-agregado en el mundo, los casos fundamentales donde se sucede esta clase de
dificultades son las obras de pavimentación de carreteras y aeropuertos, diques, puertos,
puentes y cimentaciones múltiples (Cavalcante, Barreto, & Duarte, 2011).
6.2.1. Reacción álcali-sílice
Esta clase de reacción produce un gel que impregna el agua que se encuentra presente
en la mezcla, que provoca presión, expansión, y por último fisura del agregado y la pasta.
(Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, Diseño y control de mezclas de concreto, 2014).
Los agregados que tienen esta clase de reacción son los que tienen una composición
de minerales silíceos. Esta reacción se agiliza cuando la estructura del mineral es más
desordenada, por lo tanto, el embate será superficial cuando la sílice esté bien cristalizada o
sea densa relativamente (Romero, 2010)
68
Para que surja la reacción álcali sílice, deben mostrarse tres condiciones que se
señalan a continuación.
Una manera reactiva de sílice en el agregado
Una solución en el poro altamente alcalina (pH)
Humedad elevada
Con el fin de definir el daño generado al concreto por esta reacción, se puede efectuar
el ensayo de reactividad potencial a álcalis de fusiones de cemento agregado (método de la
barra de mortero) de acuerdo con la ASTM C-227 o la equivalente NTC 3828, el ensayo de
reactividad potencial álcali-sílice de los agregados (método químico) conforme lo señala la
NTC 175; y también efectuar un estudio petrográfico de agregados para concreto, de acuerdo
con lo que está estipulado en la ASTM C-295 o su correspondiente NTC3773 (Culma &
Rojas, 2018).
Esta es una reacción de las que se presentan más habitualmente y de las más
estudiadas de las reacciones álcali-agregado. Mientras se sucede el proceso de elaboración
del concreto, la hidratación del cemento portland genera una solución intersticial conformada
por hidróxidos de calcio, sodio y potasio. El hidróxido de calcio, se manifiesta en una forma
cristalizada; entre tanto, los hidróxidos de potasio y sodio se manifiestan en forma de
solución. La reacción álcali-sílice se presenta, cuando la disolución alcalina hallada en los
poros del concreto y los minerales silíceos de ciertos agregados, responden generando un gel
que, en presencia de agua, aumenta de volumen.
69
Para que se presente este tipo de reacción, se requiere sílice reactiva, álcalis, sodio,
potasio y agua. Y para que esta clase de reacción genere el surgimiento de fisuras y
ensanchamiento del concreto, las cantidades de sílice reactiva y álcalis deben ser
representativas; además el agua debe surgir de una fuente externa. Esta reacción culmina
cuando uno de los reactivos se consuma en su totalidad, o cuando la concentración del ion
hidroxilo sea tan reducida que la sílice reactiva no se vea alterada.
La reacción álcali sílice provoca expansiones que se presentan por las tensiones
producidas a causa del desarrollo del gel al embeber el fluido intersticial. Estas expansiones
tienen que ver con el volumen de concentración del gel, también a causa de su velocidad de
expansión y sus propiedades físicas. De acuerdo a la velocidad de crecimiento, las fuerzas
internas se desvanecen a raíz del desplazamiento del gel por todo el concreto; y en dado caso
de que la velocidad fuera rápida, las fuerzas internas pueden pasar un grado donde pueden
generar fisura y expansión en el concreto.
En cuanto a las características de los agregados que perjudican la reacción álcali sílice
están, por ejemplo, lo relacionado a la composición donde los agregados que sufren
afectación a causa de esta reacción, poseen dentro de su composición minerales silíceos. Los
agregados que conforman el concreto, surgen de rocas que están en un estado distinto a las
condiciones naturales que éstos poseen, ya que se desarrollarán hasta hallar un nuevo
equilibrio, proceso que se denomina reactividad; tiene que ver con las rocas y los minerales
que conforman. Otras causas que definen igualmente la reactividad, es la clase de mineral y
la historia tectónica que éste tenga, su estructura y el tamaño de los granos, la porosidad y
permeabilidad de la roca. Es de señalar, que cuando se presenta la reacción, su agilidad tiene
que ver con lo desordenada que sea la conformación estructural del mineral: Si la estructura
70
de sílice se encuentra bien cristalizada o es densa relativamente, la reacción será superficial;
entre tanto, si no se encuentra muy cristalizada, los iones hidroxilo y sodio o potasio se
incorporarán en el interior.
Con relación a la granulometría, esta clase de reacción puede surgir en el concreto a
través de la utilización de arena o grava que surja de un árido reactivo. Casi siempre existen
casos donde las expansiones y fisuraciones en el concreto se generan por usar áridos reactivos
con un tamaño que oscila entre 1 y 5 mm; sin embargo, en ciertas ocasiones la reacción ha
surgido en el agregado grueso, esto se produce por la cantidad de sílice que reacciona, que
se encuentra relacionado solamente con la superficie concreta del agregado. Por lo tanto,
cuando es mayor la relación superficie/volumen, habrá mayor cantidad para que se genere la
reacción.
Cuando se presenta fracción del agregado fino, existen experimentos que señalan que
la expansión del concreto es superior, y entre tanto el tamaño de la partícula es menor, hasta
que llega al tamaño de 75μm. Cuando existen valores inferiores a éste, la reacción se genera
de forma bastante disgregada, sin generar dilataciones de magnitud fundamental y sin
posibilitar la concentración de tensiones, por lo tanto, las fisuras son menos (Ochoa, 2018)
6.2.2. Reacción álcali-carbonato
Esta clase de reacción no es muy común, surge en agregados calcáreos de grano fino
con existencia arcillosa, y en los que contienen dolomita. Habitualmente este proceso se
produce cuando el concreto está en un ambiente húmedo. Se estima que la expansión tiene
que ver con el cambio de la dolomita en calcita y brucita, provocando el surgimiento del gel
71
que coadyuva para que se genere la presión y fractura del agregado y el concreto a causa del
crecimiento de los cristales.
El procedimiento de dedolomitización del carbonato, tiene que ver con la disolución
del magnesio del mineral dolomita, y se presenta en las rocas carbonatadas con dolomita,
cuando están presentes el sodio y el potasio del cemento, dejando comprometidos los
minerales de arcilla que están presentes en las dolomitas, que se presenta cuando embebe el
agua existente en el poro provoca presiones que pueden agrietar el concreto (Romero, 2010).
A continuación, se señalan las particularidades que estimulan la reacción álcali-
carbonato.
Contenido de arcilla, entre el 5% y el 25%
Relación entre calcita y dolomita cerca de 1:1.
Incremento en el volumen de dolomita
Cristales dolomíticos variables de tamaño reducido esparcidos en matriz de arcilla
Con el fin de determinar los perjuicios generados a causa de la reacción álcali-
carbonato, se pueden efectuar estudios petrográficos de acuerdo con la ASTM C-295 o su
correspondiente NTC 3773, el sistema del cilindro de roca, de acuerdo con la ASTM C-586
o el ensayo del prisma del concreto, de acuerdo con la ASTM C-1105 (Kosmatka, Kerkhoff,
Panarese, & Tanesi, Diseño y control de mezclas de concreto, 2014) (Culma & Rojas, 2018).
Este tipo de reacción se produce en los concretos que se fabrican con agregados
carbonatados, existen dos clases de reacciones álcali-carbonato, se señalan a continuación.
72
Rocas carbonatadas que reaccionan con los álcalis localizados en los poros del
concreto generando expansiones y fisuraciones perjudiciales (Pardo, 2009).
Zonas periféricas de las partículas de agregado que se relacionan con la pasta, se
transforman, generándose bordes pronunciados que se presentan entre la partícula de
agregado y la pasta modificada que la circunda. Parece ser que esta clase de reacción
no es dañosa para el concreto. En la Figura 17 se observan esta clase de bordes
Figura 17. Superficies que señalan efectos de reacción álcali-carbonato
Fuente: (Ochoa, 2018)
De acuerdo con la clase de roca que reacciona, y las dificultades que genera, existen
las clases de reacción álcali carbonato que se mencionan a continuación (Pardo, 2009).
Reacciones que perjudican rocas carbonatadas no dolomíticas: Los bordes generados
a causa de la reacción, se pueden observar, por todo el largo de las secciones
transversales de las partículas que conforman los agregados. No se estima perjudicial
para el concreto, y de cierta forma se considera beneficiosa (Ochoa, 2018).
Reacciones que perjudican rocas dolomíticas impuras: Las rocas muestran una
composición y textura especial. La textura está conformada por una matriz de grano
73
fino de calcita y arcilla que bordea un grupo de enormes cristales de dolomita
disgregados al interior de la matriz. Esta roca muestra grandes cantidades de dolomita
y calcita en la sección carbonatada, con buena cantidad de residuo insoluble en ácido,
donde la mayor parte la constituye arcilla.
De otro lado, se presentan distintos mecanismos de dilatación a causa de este tipo de
reacción, que se señalan a continuación.
Mecanismo indirecto: Allí los agregados que generan dilataciones por álcali-
carbonato poseen una organización con matriz de grano fino de calcita y arcilla que
bordea un grupo de cristales de dolomita. Para que se genere este mecanismo de
dilatación, la fuerza expansiva se presente por el embebimiento de agua realizado por
las arcillas de las superficies que se encuentran expuestas. La separación de la
dolomita permite la circulación de agua entre los granos del agregado y la adhesión
de la solución en las estructuras de las arcillas.
Mecanismo directo: La desdolomitización genera el aumento de volumen, y la presión
de cristalización de la calcita y la brucita, generan la expansión y fisuración.
Dentro de las causas que perjudican la reacción álcali-carbonato están las que se
señalan a continuación.
Alcalinidad: La expansión y fisuración surgen dentro del concreto cuando se usan
agregados que poseen las características señaladas con anterioridad, y por la
existencia de álcalis que generalmente surge del cemento. De igual forma, es probable
que los álcalis surjan de fuentes externas como los aditivos, adiciones minerales o
agregados contaminados con sal.
74
Tamaño del agregado: Desde que el tamaño del agregado reactivo sea menor, la
dilatación o expansión que se produce también se reducirá. A causa de que la
expansión es más alta en el área de contacto entre la pasta y el agregado, el porcentaje
relativo de volumen de expansión de las partículas de los agregados menores será más
alta que el de las partículas mayores; en cuanto a la expansión absoluta, sucede lo
opuesto. Las partículas más diminutas que están cercadas por una interfase porosa y
maleable, generan menor beneficio en cuanto a la dilatación o expansión del concreto,
que los agregados de mayor tamaño. En el momento en que la interfase se reduzca,
se genera el efecto contrario (Ochoa, 2018)Reacción álcali-silicato.
Este tipo de reacción puede surgir junto con la reacción álcali-sílice, y la oposición
que tiene frente a ésta última es que esta clase de reacción provoca una reacción más lenta,
además de que provoca un gel en una cantidad inferior. Esta reacción se considera que surge
a causa de ciertos minerales de rocas arcillosas y filosilicatos como las grauwacka, filitas y
argilitas. La reacción que se da entre los álcalis y el hidróxido producido, expulsan un mineral
parecido a las vermiculitas que se encuentran en las capas de exfoliación, que cuando se
libera, embebe agua y se difunde o extiende produciendo fisuración (Romero, 2010) (Culma
& Rojas, 2018)
6.2.3. Reacción álcali-silicato
La reactividad álcali-silicato inicialmente se estimaba como una clase de reactividad
y, por lo tanto, se efectuaba su clasificación, aunque se estimaba que la forma de reacción se
diferenciaba para las rocas con minerales silíceos cristalizados que para rocas que contaban
con una estructura más confusa, existiendo una distinción álcali silicato de la reacción álcali
75
sílice. Aunque se ha expuesto que la reacción es la misma en ambos casos, únicamente que,
en función del nivel de cristalización de la sílice, la cinética de la reacción cambia,
generándose de forma más acelerada cuando es menor este nivel de cristalización (Melo,
2014).
76
7. RECURSOS DE ARENAS Y GRAVAS EN COLOMBIA
7.1. SITUACIÓN NACIONAL
En el país, las formaciones geológicas que están conformadas por rocas que tienen
características con propiedades litológicas comunes y que constituyen una unidad, y que,
además, cuentan con la posibilidad y capacidad para transformarse en fundamentales
generadoras de arenas y gravas tienen que ver con el sistema andino de Colombia, controlado
por las cordilleras Occidental, Central y Oriental. La situación que posee la cinemática que
es la rama de la mecánica que detalla el movimiento de los objetos sólidos sin tener en cuenta
las causas que los generan, y que estudia la trayectoria en función del tiempo;
fundamentalmente entre la placa de Nazca y la de Suramérica, además de su desarrollo en el
transcurso del tiempo, son las que se encargan de la magnitud y potencia de los procesos
tectónicos activos como la subducción, la conformación de cordilleras, cuencas y cadenas
volcánicas, la reactivación y nueva formación de estructuras corticales, e igualmente, una
fuerte actividad sísmica (Gómez, Jiménez, Montes, Sepúlveda, & Osorio, 2006).
Con relación al surgimiento de las arenas y gravas durante este procedimiento, en
Colombia se destaca la Cordillera Oriental, conformada fundamentalmente por rocas
clásticas y bioclásticas, y en un porcentaje más reducido por cuerpos cristalinos y
metamórficos. En la cadena de unidades estratigráficas que conforman los almacenamientos
que integran los de un nivel económico más elevado para obtener arenas y gravas, están
ciertas formaciones de los períodos Cretáceo, Terciario y Cuaternario.
La constitución de la Cordillera Occidental está dada por rocas volcánicas y
metamórficas que tienen relación con rocas sedimentitas del Neógeno, dentro del cual se
77
encuentran las formaciones Guachinte, Ferreira y Esmita. El componente, La Cima de la
formación Guachinte, está conformado desde arenitas finas hasta conglomeráticas de cuarzo,
y cuentan con un espesor de 100 a 150 m. Esta roca aparece por todo lo largo de los
departamentos del Cauca y Valle del Causa, constituyendo zonas que son buenas para la
explotación de arenas y grava. El componente Suárez de la formación Ferreira, y la formación
Esmita de manera destacada arenosas y conglomeráticas, se pueden considerar interesantes
por la presencia de estos materiales. (Dorado, 2015)
Geológicamente, la Cordillera Central está conformada principalmente por rocas
ígneas, metamórficas y volcánicas. En un porcentaje más reducido, está conformado por las
sedimentitas de la formación Amagá que se estima de la edad Neógena, y cubre los
departamentos de Antioquia, Caldas y Risaralda. El componente inferior que integra esta
unidad, se transforma en un generador potencial para extraer arena y grava silícea. El
Cretáceo tardío que surge del batolito Antioqueño, se vincula a la subprovincia llamada
Antioquia Samaná. Las arenas finas surgen en el stock de Amagá y el neis de la Miel. (Esteve,
Pere, & Gemma, 2018)
Existen depósitos cuaternarios en la Cordillera Oriental que van desde Huila hasta
Norte de Santander, con un predominio geológico de unidades sedimentarias que vienen
desde el periodo Paleozoico hasta el Neógeno. En la parte sur y central de la Cordillera surgen
formaciones areniscas de Cáqueza, Caballos, Une y Grupo Guadalupe, que están vinculadas
a la etapa Cretácea inferior y superior; y las formaciones denominadas Cacho y Socha, que
se relacionan con la Etapa del Paleógeno. En la parte Norte de la Cordillera, las formaciones
semejantes Río Nero, Aguardiente, Barco y Mirador, conforman una enorme fuente de
78
arenas, gravas y agregados pétreos, que se utilizan casi siempre como materiales de
construcción y que pueden ser explotables.
El gran número de fuentes de extracción de arenas y gravas en el país, tienen que ver
con depósitos no fijos, otras fuentes pueden ser las estratificadas, y otras por meteorización
(macizos arenosos). Con relación a los depósitos no fijos o no consolidados, tienen que ver
con los sedimentos cuaternarios, que están simbolizados por terrazas, abanicos aluviales,
conos de deyección, de playa, glaciales, derrubios o coluvios, ríos meandriformes, ríos
trenzados, cauces actuales y brechas de falla.
Colombia se ha ramificado en seis provincias metalogénicas, es decir, un área que se
particulariza por un grupo de depósitos minerales o por una o más clases características de
depósitos minerales, que integran parámetros metalogénicos que proceden del vínculo entre
el espacio-tiempo-mineralización, que están simbolizados en la versión del mapa
metalogénico del país, a escala 1:1 500 000, donde también se señala la adjudicación de
vínculos que existen entre provincias y subprovincias de almacenamientos minerales,
distritos y yacimientos focalizados; al igual que, su vínculo con sucesos geológicos y
tectónicos. Las provincias fueron denominadas como: Provincia metalogénica Oceánica
Occidental, Cauca Romeral, Continental Central, Continental Oriental, Sierra Nevada y
Escudo Guayanés (Salinas, Rodríguez, Lozano, & Solano, 1999).
Estas provincias metalogénicas surgen por la erosión y conducción que sobreviene de
las rocas que las conforman, y aunque las rocas, gravas y triturados no tienen vinculación
directa con los sucesos de mineralización, si conforman el resultado de dicha erosión. Sin
embargo, teniendo en cuenta la organización sugerida por la Unidad de Planeación Minero
79
Energética (2005) y teniendo en cuenta los plazos de reservas, producción y mercado destino,
que planteó la existencia de veintiséis distritos mineros que contemplan los distintos
depósitos minerales del país, la categorización planteada, se encuentra establecida como se
señala a continuación.
Grupo I: Conformado por los distritos con una capacidad de producción por encima
de los cinco millones de toneladas anuales.
Grupo II: Conformado por los distritos que poseen escalas de producción intermedia,
menores a los cinco millones de toneladas anuales.
Grupo III: Conformado por los distritos que producen metales preciosos y esmeraldas.
Según esta categorización, se puede señalar que en el país todos los distritos que
tienen que ver con los materiales de construcción, concretamente relacionados a arenas y
gravas, se encuentran dentro del grupo II. A continuación, se describirán los distritos de
mayor trascendencia donde se efectúa extracción de arenas y gravas en el país.
Distrito minero de la Sabana de Bogotá :Este distrito está ubicado en la parte central
de la cordillera oriental, Se encuentra limitado por: El este con los cerros orientales
que están en dirección NNE, desde la parte sur de Bogotá hasta más al norte de
Villapinzón, por la parte oeste, existe un cordón de montañas que independiza la
altiplanicie de la ladera del valle medio del río Magdalena; por la parte sur, está el
páramo de Sumapaz, y en el norte, se encuentra la cuenca alta del río Bogotá.
Como distrito minero abarca las áreas mineras ubicadas tanto en la capital de Bogotá,
como en municipios vecinos de: Bojacá, Chía, Gachancipá, Guasca, La Calera,
80
Madrid, Mosquera, Nemocón, Sibaté, Soacha, Sopó, Subachoque, Tabio, Tenjo y
Tocancipá. Se debe señalar, que los departamentos de Meta y Tolima, le brindan al
mercado de la sabana de Bogotá entre 80.000 y 100.000 metros cúbicos anuales de
gravilla; e igualmente, en Guaduas y Honda, se llevan a cabo ciertas explotaciones de
arena y grava. (Córdoba, Borja, & Medina, 2017)
A nivel geológico en el área de este distrito, aparecen rocas sedimentarias que son de
origen tanto marino como continental, con edades que oscilan del cretáceo superior hasta el
cuaternario; sus nombres, del más antiguo al más actual son: Formaciones Chipaque, La
Frontera, Simijaca y Conejo. Estas rocas surgieron por la sedimentación de entornos marinos.
El último registro marino tiene que ver con la formación Labor y Tierna, y la parte
menor de la formación Guaduas. La sedimentación fluvial del paleógeno y neógeno produjo
las formaciones Cacho, Bogotá, Regadera y Tilatá. En la etapa del mioceno, a raíz de una
actividad tectónica se perjudicaron las formaciones que estaban depositadas con anterioridad,
y parece ser que quedan algunos registros como las formaciones Chorrera y Marichuela.
Después se originó el relleno con las formaciones Subachoque, Río Tunjuelito y Sabana; y
de manera subsiguiente, se presentaron sucesos de glaciación que produjeron las formaciones
Siecha y Chisacá (Montoya & Reyes, 2007).
Se ven perjudicados los estratos consolidados en el entorno local por causa de
esfuerzos tectónicos, habitualmente manifestados por fallas de tipo inverso; dentro de estas
fallas, la más destacada es la falla de Bogotá, que cubre los estratos del cretáceo por encima
de los del terciario. A raíz de estos esfuerzos, surgen pliegues sinclinales desarrollados, y
81
anticlinales parcialmente ajustados, se presentan desde bastante inclinados a inversos
localmente.
Como fuente principal de agregados para concreto y asfalto, es la formación Arenisca
Dura, se extraen arenas de las formaciones Tierna, Cacho, Regadera y Tilatá, y están ubicadas
en el flaco occidental del sinclinal de Checua, a través de la cual se realiza explotación
arenera de la formación Cacho, por lo menos a través de nueve canteras. También se extrae
arena por los alrededores de Chocontá y Villapinzón, a través de dieciséis canteras de la
formación Tilatá, y en tres de la formación Regadera. En diez y nueve canteras ubicadas en
la formación Arenisca Tierna de la región oriente del municipio de Gachancipá; así mismo,
al suroccidente de la capital, en el sector Mondoñedo (formación Tierna) y en Sibaté-Soacha
(formación Tierna y Arenisca la Guía de la formación Guaduas). Las formaciones que se
encargan de producir arena de peña son la formación Arenisca de Labor y Arenisca Tierna;
de igual forma, la formación Arenisca Tierna, produce arenas para vidrio. Las fuentes de
material para concretos surgen de las formaciones Cacho y Regadera, y en los estratos de
Usme, se producen arenas. (Córdoba, Borja, & Medina, 2017)
Las gravas son producidas fundamentalmente por los depósitos cuaternarios en las
formaciones Subachoque y Tunjuelito. En la formación Tilatá se encuentra grava con un
diámetro que va desde 2 hasta 6 cm, mientras que al occidente de Chocontá se consideró un
espesor de 80 m.; depósitos que surgen esencialmente en el núcleo sinclinal de Rio Frío,
Guasca y al sur de Bogotá (Montoya & Reyes, 2007).
El Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, es el encargado de re determinar
ciertas normas que posibiliten hacer más sencilla la actividad minera al igual que permita la
82
protección al medio ambiente; tarea que le compete al Ministerio, puesto que así como son
irremplazables los materiales de construcción para el desarrollo de la capital, y como no se
puede frenar el alza en los precios a través del control de la demanda, la opción que surge, es
promover la oferta que se genera de fuentes que están ubicadas en mayor cercanía que las
que proveen el mercado actualmente. De acuerdo con la Agencia Nacional Minera (2018),
dentro del departamento de Cundinamarca, abarcando la capital, se presentó una producción
de arena de 975’827.260 m3 y 1’894.291,86 m3 de grava durante el año 2017.
Distrito Minero Amagá-Medellín: Donde más existe producción de arena y grava es,
hacia el suroccidente del departamento de Antioquia, dentro de la zona de influencia
de Medellín y Amagá. A nivel mineralógico estos depósitos tienen relación con las
anfibolitas que surgen al norte de la ciudad de Medellín, sedimentitas de la formación
Amagá de la época Paleógena y aluviones recientes.
Esta formación Amagá se fracciona en tres categorías, la más baja, cuenta con un
espesor promedio de 200 m., es estimada como una fuente potencial de arenas y gravas.
Conformada principalmente por rangos de conglomerados líticos de magmáticas y
metamorfitas a la base, se extiende por encima de unos niveles de conglomerados y arena de
grano grueso de cuarzo, existen ciertos niveles de arenitas arcillosas que están intercaladas.
Se han efectuado ensayos que señalan una granulometría de mortero que tienen una deficiente
calidad por contener mucha arcilla y partículas resbaladizas que no se encuentran dentro de
la norma NTC 2240 (Maya, 2003).
En la formación Combia existen niveles de rocas conglomeráticas conformadas por
cantos redondeados de rocas porfídicas, arcillolitas en matriz arenosa, con gran contenido de
83
granos finos de cuarzo, que pueden ser usados en la producción de cementos. Se debe señalar
que por el conjunto de características que tiene una roca en su formación, en determinados
sitios existen ciertos cantos de roca ígnea volcánica andesita, que contienen sílice amorfa que
podría presentar una reacción a los álcalis del cemento.
Dentro de los depósitos Maya inconsolidados, existen en Santafé de Antioquia en el
sector de Bolombolo, San Pedro de Belmira y el Valle de Aburrá. Los que se encuentran en
Santafé de Antioquia están vinculados con el río Cauca, y sus afluentes los ríos Aburrá y
Tonusco y las quebradas Seca y la Sopetrana, donde existen depósitos de arenas y gravas que
están vinculadas con terrazas aluviales, llanuras de inundación, cauces de ríos. Los depósitos
de Bolombolo les competen a llanuras de inundación y cauces de ríos Cauca y Sinifaná. Los
depósitos de San Pedro de Belmira, les competen a depósitos de terrazas aluviales en las
márgenes del río Chico que está ubicado cerca de las localidades señaladas anteriormente
(Maya, 2003).
El más fundamental depósito para extracción de arena y grava se encuentra en el Valle
de Aburrá, el material que se genera en este depósito se utiliza en la zona metropolitana de
Medellín, y se usa para la fabricación de concreto y mezclas de asfalto. Existen más de
cuarenta explotaciones en el área del Valle de Aburra, que va desde Caldas hasta Barbosa, y
allí se extraen materiales para construcción. También existen otros puntos de suministro
ubicados en municipios que están cerca a Medellín como, por ejemplo: Abejorral,
Angelópolis, El Carmen de Viboral, Heliconia, Sopetrán, Rionegro, Montebello, Titiribí,
Fredonia y Venecia (Servicio Geológico Colombiano, 2019).
84
Existe extracción de arenas silíceas del componente superior de la formación Amagá
en los municipios de Amagá, Angelópolis y Titiribí; y en el municipio de Amalfi se obtienen
ciertos conglomerados y areniscas. En los municipios del Retiro, Guarne y Bello en la
jurisdicción de Medellín existe explotación de bloques de cuarzo lechoso que surgen de venas
y filones que están en rocas metamórficas e ígneas de naturaleza intrusiva. Los que surgen
de la formación Amagá y conglomerados Amalfi, se utilizan casi siempre para fabricar
vidrios, filtros en fundición y elaboración de ladrillos silíceos; los segundos se utilizan para
abrasivos, jabones, asfaltos y rellenos de pinturas.
Una de las fuentes fundamentales para producir arenas son los depósitos de macizos
arenosos, amontonamientos que surgen por meteorización con base en rocas ígneas de clase
granito, y metamórficas de origen ígneo. En Antioquia, el stock de Amagá, el neis de La Miel
y el batolito Antioqueño, conforman depósitos fundamentales de las cuales se obtiene
aprovechamiento como areneras para sacar de allí arena fina. Se debe señalar que el material
que surge de estas rocas puede contener partículas livianas, como las micas, que se
encuentran cerca al límite o por encima de lo que se permite para elaborar concreto, o como
agregado en mampostería (Maya, 2003).
En el departamento de Antioquia, según la Agencia Nacional Minera (2018) se señala
que hubo una producción de arena de 13.526 m3 y 203.668,96 m3 de grava para el año 2017.
Distrito Minero de Ataco-Payandé: Se encuentra ubicado en el departamento del
Tolima, capital Ibagué. La vía de acceso vehicular es la carretera central, y se ramifica
en vías alternas que sirven de acceso a los centros de producción de arenas y gravas.
Los municipios que producen ese material son: Coello, Carmen de Apicalá, Guamo,
85
Espinal e Ibagué. Teniendo en cuenta su ubicación en el espacio y con base en los
procesos geomorfológicos que los han originado, el área está integrada por tres
provincias fisiográficas: La Cordillera Central, la Cordillera Oriental y el Valle del
Magdalena, donde surgen rocas que sirven para la consecución de estos materiales.
Las Unidades geológicas que producen materiales de construcción pertenecen a rocas
del cretáceo y terciario, dentro de las que se destaca la formación Gualanday, de edad
neógena, conformada por areniscas y conglomerados silicios, que salen cerca del Carmen de
Apicalá. De igual manera, las formaciones La Tabla y Guadalupe, del Valle de encima del
Magdalena, conformados primordialmente por arenitas y conglomerados de cuarzo, poseen
una gran capacidad para generar arenas y agregados pétreos, especialmente en los alrededores
de los municipios de: Ortega, Chaparral y San Luis; de donde pueden surgir también esa clase
de materiales es por las rocas volcánicas y aluviones recientes. Según la Agencia Nacional
Minera (2018), en el departamento del Tolima a 2017 se presentó una producción de arena
de 714.997,22 m3 y 576.278,51 m3 de grava.
Distrito minero El Tambo- El Dovio: Este distrito abarca las zonas mineras dentro del
Departamento del Cauca, en los municipios del Tambo, Puerto Tejada y Suárez; y
dentro del Departamento del Valle del Cauca, están los municipios de Bolívar,
Buenaventura, Buga, Bugalagande, Caicedonia, Cali, Candelaria, El Dovio, Guacarí,
Ginebra, Jamundí, Sevilla, Yumbo y Vijes. Municipios que se comunican entre sí por
la carretera Panamericana, a través de vías secundarias. La gran cantidad de
explotaciones generan arenas silíceas, al igual que recebos y triturados. También se
genera gran cantidad de caliza; y en menor proporción carbón, bentonita, magnesita
y feldespato.
86
En cuanto a materiales de construcción, se muestran como fundamentales fuentes de
generación de agregados pétreos por los cuerpos ígneos que surgen tanto en la Cordillera
Central y Occidental. Algunas extracciones tienen que ver con materiales de arrastre, del que
se generan arenas silíceas. Para los departamentos del Cauca y Valle del Cauca, la Agencia
Nacional Minera señala que se produjo para el año 2017 arena en 164.868,33 m3 y 368.631
m3 de grava.
Existen otras áreas importantes en producción de arena y grava, donde también se
trabaja la extracción de éstas. Dentro de ellas se encuentran las que se mencionan a
continuación.
En el departamento del Putumayo hacia el oeste de la ciudad capital Mocoa, hay
minas ocasionales donde se extrae arena, principalmente de depósitos aluviales; y hacia el
norte, en el departamento de Risaralda, existe mayor actividad minera en cuanto a materiales
de construcción, en los alrededores de Pereira, Marsella y al oste de Santa Rosa de Viterbo,
donde se extrae casi en su totalidad material de recebo. En el departamento del Quindío,
existe explotación arenera, grava, recebo y arenas silíceas, especialmente cerca a los
municipios de Barragán, Córdoba, Calarcá y Salento.
En el departamento del Meta se genera arena y grava en un porcentaje que cubre el
consumo interno y, además, alcanza para ser enviado al distrito de la Sabana de Bogotá.
Dentro del Departamento del Huila existen varias canteras que extraen arena, principalmente
cerca de Neiva y por los alrededores de Pitalito, La Plata y San Agustín (Servicio Geológico
Colombiano, 2019).
87
El Departamento de Santander posee diversas explotaciones tanto de arena como de
grava, en municipios cercanos a Bucaramanga, Girón y Floridablanca, allí se consigue el
material que conforma la Terraza de Bucaramanga. En la zona de Sabana de Torres hay
canteras donde surgen arenas silíceas que se usan para fabricar vidrio; en zonas aledañas al
municipio de San Gil hay explotaciones de arena: e igualmente, sobre el río Manco, se
explota material de arrastre.
En el Departamento del Norte de Santander, existe explotación minera de arenas
silíceas por zonas aledañas a la capital Cúcuta, en Chinácota existen canteras donde salen
arenas silíceas, pero su mayor explotación es de caliza. Al norte del municipio de Silos
existen explotaciones de gravas reducidas, y en zonas aledañas a Ocaña extraen arenas
silíceas, y en determinadas canteras explotan arena.
De igual manera, al norte del país, existen explotaciones de arena, como es el caso
del sureste de Santa Marta y por la carretera a Riohacha cerca a bocas de Don Diego, donde
se extraen arenas y cuarzo. Existen además areneras en el rio Aracataca, donde se encargan
de la explotación de depósitos aluviales. En la Guajira, cerca al municipio de Barbacoas,
existe extracción de arena. Dentro del departamento de Córdoba cerca de Sahagún extraen
arena y grava; mientras que en Montería y en la Ye, existen minas de arena, generalmente
estas explotaciones se vinculan a depósitos de ríos (Servicio Geológico Colombiano, 2019).
88
7.2. SITUACIÓN EN BOYACÁ
En relación con la situación de disponibilidad de agregados pétreos del Departamento,
a continuación, se registran los hallazgos registrados tanto por parte de instituciones del
Estado, como en investigaciones académicas y documentos especializados en estos temas.
Con el propósito de iniciar con una visión general de la situación, la Gobernación de
Boyacá publicó el documento Boyacá 2022: La ciencia, la tecnología y la innovación al
servicio del desarrollo regional (2012), en cooperación con Colciencias y el Observatorio
Colombiano de Ciencia y Tecnología. De acuerdo con el análisis de la cadena de valor para
el sector minero para esta región del país, “se destacan las explotaciones de piedras preciosas,
hierro, carbón, calizas, fosfatos y depósitos de arenas, arcillas y rocas transformables en
agregados pétreos para abastecer la industria de la construcción” (p. 306). En general, en los
últimos años se ha incrementado sustancialmente la explotación de minerales industriales en
diversos puntos de la geografía boyacense, en gran parte por las políticas y garantías que se
ofrecen para el desarrollo de proyectos en materia minera.
La roca caliza es un componente básico del cemento gris utilizado en la industria de
la construcción; junto con áridos, se utiliza para producir mortero de cal, así como estucos o
lechadas para el tratamiento de superficies. Este tipo de rocas se encuentran en Belén,
Labranzagrande, Paz de Río, Sogamoso, Busbanza, Macanal, Pesca, Sora, Chitaraque,
Mongua, Ráquira, Tenza, Corrales, Moniquirá, Rondón, Tibasosa, Cuítiva, Nobsa, Sáchica,
Togüí, Firavitoba, Páez, Santa Rosa de Viterbo, Turmequé, Gachantivá, Pajarito, Santa Sofía,
Tutazá y Villa de Leiva. (Buitrago & Becerra, 2018)
89
De acuerdo con los datos suministrados por la Secretaría de Minas y Energía del
Departamento, las provincias del departamento con mayor participación en los registros
mineros expedidos son Sugamuxi (29%), Centro (17%), Tundama (11%) y Ricaurte (10%);
estas cuatro zonas concentran más del 60% de los registros. Así mismo, los principales
minerales son: carbón (44%), esmeraldas (18%) y materiales para construcción –arenas y
calizas– (15%). Si se toma como criterio de participación el área otorgada en las licencias
mineras, el primer lugar corresponde al carbón con 162.800 ha, seguido por el hierro con
66.060 ha y las esmeraldas con 47.580 ha (Gobernación de Boyacá, 2012). Es decir que la
minería de materiales para la construcción tiene una participación relativamente baja dentro
del Departamento, debido a que esta región del país cuenta con otros recursos que tienen
mayor valor comercial.
Entrando más en detalle, la caracterización mineralógica y físico mecánica de los
agregados pétreos de las canteras Santa Lucia, Pie Blanco y Mina San Vicente, usados como
materiales de construcción (Torres, Amaya, Becerra, & Villate, 2018), el análisis
petrográfico mostró que la arena está constituida por cuarzo, de calidad apropiada para
mezclas de concreto y carpetas de pavimientos convencionales, así como subbases y bases
granulares. También encontraron que la “arena de peña” no es apropiada para ser empleada
como agregado fino o para pavimentos convencionales, debido a que presenta un alto
contenido de impurezas y baja resistencia a la intemperie, como consecuencia del deficiente
desempeño frente a sulfatos de sodio y de magnesio. Así mismo, los agregados gruesos de
½” y ¾” de las canteras Pie Blanco y Sana Lucía cumplen con los requisitos de calidad
conformados por ensayos físico mecánicos de limpieza, composición, absorción, densidad
relativa, dureza, durabilidad y geometría.
90
Igualmente, los triturados de la cantera Pie Blanco contienen cuarzo, moscovita,
fragmentos líticos y carbonato de calcio, por lo que resultan apropiados para su uso en la
industria de la construcción; no obstante, las altas cantidades de filosilicatos pueden
ocasionar la reacción álcali-silicato, por lo que se recomienda hacer análisis detallados
dependiendo del uso que se les vaya a dar a estos triturados. En la cantera Santa Lucía los
triturados contienen cuarzo, calcita, óxidos de hierro y fragmentos líticos, características que
los hacen recomendables para su uso; no obstante, en algunos casos se encuentran materiales
de alta porosidad y baja resistencia mecánica, por lo que también se recomienda realizar
ensayos antes de definir su uso.
Por su parte, Rodríguez (2015) adelantó la caracterización de las propiedades físicas
y químicas de los agregados finos y gruesos con mayor demanda en la ciudad de Tunja,
mediante ensayos mecánicos y químicos. De acuerdo con esa investigación, los agregados
gruesos de la región contienen óxidos de silicio, calcio, hierro y potasio; se evaluó la calidad
de los agregados finos existentes en cinco fuentes diferentes, y se evidenció que la
granulometría presenta módulos de finura fino, a excepción de una fuente que tiene un
módulo de finura medio. En el análisis de densidades del agregado fino cumple con los
parámetros establecidos por la NTC 174, y en los estudios de absorción se observó que todas
las fuentes de extracción cumplen con los parámetros establecidos por esta misma norma.
En el análisis de calidad de los agregados gruesos se evidenció que la granulometría
es irregular, y las curvas correspondientes no se ajustan a los límites inferior y superior de la
norma NTC 77, mientras que todas las fuentes cumplieron con la norma en lo que tiene que
ver con las pruebas de absorción. Tanto los agregados gruesos como los finos poseen altos
91
porcentajes de óxido de calcio, lo que aumenta la retención de agua y favorece la humedad
natural de estos materiales.
Por su parte, Córdoba, Borja y Medina (2017), con el respaldo del Instituto de
Investigación de Recursos Biológicos Alexander von Humboldt, adelantaron la
caracterización de flora y fauna de Gachantivá, Reservas naturales de la sociedad civil
Cochauira, Furatena y Buenavista, localizadas en el municipio de Gachantivá y encontraron
que esa región se encuentra “localizada geológicamente sobre formaciones de origen
sedimentario, de edad Jurásico y Cretáceo, cuenta con recursos minerales de los grupos de
construcción: calizas, arcillas, agregados pétreos y del grupo metales básicos como el cobre”
(p. 17).
Igualmente, el Ministerio de Minas y Energía (2018) presentó un informe sobre los
recursos minerales del país. Como parte de ese informe, se incluyeron las estadísticas de
producción de arenas y gravas en los diferentes departamentos del país en el año 2017, la que
se presenta en la Tabla 4.
Tabla 4. Producción de arena y grava en 2017 (m3)
Gravas Arenas
Departamento Producción Departamento Producción
Boyacá 160,879.83 Arauca 10,385.00
Caldas 161,252.65 Boyacá 79,402.60
Caquetá 23,554.19 Caldas 120,137.59
Casanare 532,798.60 Caquetá 21,184.39
Cesar 389,680.71 Casanare 44,595.00
Chocó 1,193.00 Cesar 45,757.80
Córdoba 215,279.00 Chocó 63,609.75
Guaviare 5,697.00 Córdoba 41,432.10
Huila 259,183.45 Huila 131,589.75
La Guajira 548,403.90 La Guajira 190,917.50
Magdalena 296,238.92 Magdalena 43,906.96
Meta 704,600.26 Meta 231,347.93
92
Gravas Arenas
Departamento Producción Departamento Producción
Nariño 94,562.50 Nariño 52,014.00
Norte de Santander 291,713.72 Norte de Santander 12,394.50
Putumayo 7,298.00 Quindío 8,696.00
Quindío 228,905.00 Risaralda 33,810.00
Risaralda 322,961.48 Santander 119,716.89
Santander 490,442.35
Vichada 2,860.00
Total 4,737,504.56 Total 1,250,897.76
Fuente: Ministerio de Minas y Energía (2018)
Como se observa, la producción total de gravas equivale a 3.78 veces la producción
de arenas. Sin embargo, en Boyacá la proporción de gravas es de 2 veces la producción de
arenas, lo que indica que en este departamento se encuentra una mayor cantidad de arenas
que en otras regiones del país; de hecho, la participación del departamento en el total de
gravas producidas fue de 3.4%, mientras que fue de 6.3% en el caso de las arenas. De acuerdo
con esas estadísticas, el departamento de Casanare, es el mayor productor de gravas, y
produce más del triple que su vecino Boyacá. Entre tanto, el departamento de Meta es el líder
en producción de arenas, y produce un poco menos del triple que Boyacá.
93
8. NECESIDADES DE INVESTIGACIÓN APLICADA
A LA CARACTERIZACIÓN DE GRAVAS Y ARENAS
COMO AGREGADOS EN EL DEPARTAMENTO DE BOYACÁ
Los hallazgos presentados muestran que en el Departamento de Boyacá existe
información parcial y/o desactualizada sobre la caracterización de las gravas y arenas
utilizadas como agregados; en efecto, algunos organismos oficiales y especialmente el
Ministerio de Minas y Energía han publicado algunas estadísticas sobre la explotación de
estos materiales mineros en años recientes; sin embargo, esos inventarios no dan cuenta de
las características de esos yacimientos, y se limitan a mostrar las cantidades de minerales
producidos. Adicionalmente no lo hace todos los años, sino esporádicamente, por lo que no
se cuenta con información continua que permita conocer la evolución de los mismos.
Otras investigaciones particulares o académicas han hecho algunas investigaciones
en sitios sobre aspectos específicos que son del interés de quienes las desarrollan; teniendo
en cuenta la limitación de recursos que esos investigadores tienen, se trata de investigaciones
muy puntuales que se refieren solamente a determinados sitios geográficos y a propiedades
físicas y/o químicas particulares. Esta situación hace que la información sea parcial y
discontinua.
Adicionalmente, los métodos de producción de esos informes son definidos de
acuerdo con el criterio de cada autor, de manera que no se trata de un sistema de información
consistente, lo que limita la posibilidad de hacer comparaciones entre unos y otros.
En las inmediaciones de Tunja como ciudad capital se han producido varias de esas
investigaciones; sin embargo, sobre otras regiones del departamento como Sogamoso,
94
Duitama, Moniquirá, Zipaquirá y otros de los más de 120 municipios del departamento no se
conoce información a cerca de las fuentes de donde se abastecen de agregados pétreos o sobre
la disponibilidad de este tipo de minas.
Este vacío de información hace que los usuarios de este tipo de materiales deban
basarse en la información comercial disponible al momento de abastecerse de estos insumos,
además de que resulta complejo efectuar comparaciones basadas en criterios técnicos por
parte de ingenieros y proyectistas de grandes y pequeñas obras de ingeniería.
La investigación académica permitiría superar las actuales falencias que se presentan
en la caracterización mineralógica y química de los agregados en las fuentes identificadas.
El avance en la creación de este tipo de información facilitará la futura ubicación y
caracterización mecánica de los agregados, además de que contribuirá a prevenir la
generación de reacciones nocivas. Ese tipo de investigación permitirá enriquecer los sistemas
de información geográfica, con lo que se lograría que la misma tenga mayor valor como
fuente de consulta sobre los agregados, incluyendo su caracterización físico mecánica y
mineralógica.
Ante esa situación, se recomienda que el Ministerio de Minas y Energía lidere y
promueva un proceso de caracterización de agregados pétreos, tanto en el Departamento de
Boyacá como en el resto del país. Con el apoyo de instituciones como Colciencias y las
instituciones universitarias del país, se puede adelantar un proceso de investigación o
inventario que permita avanzar de manera ordenada y seria en la construcción de una línea
base que facilite a la comunidad científica, académica y a los particulares contar con fuentes
de información valiosa para la sociedad en general. Teniendo en cuenta que los recursos del
95
subsuelo son propiedad del Estado, se trata de un asunto que no solamente le interesa a los
titulares de los títulos mineros y a los interesados en la industria de la construcción en general,
sino a la sociedad como un todo.
96
9. CONCLUSIONES
Frente a los objetivos inicialmente planteados, el desarrollo de la presente
investigación permitió establecer las conclusiones que se sintetizan a continuación.
9.1. ESTADO DE LA INVESTIGACIÓN REALIZADA EN COLOMBIA Y EN
BOYACÁ CON RESPECTO A LA CARACTERIZACIÓN, COMPORTAMIENTO,
MINERALOGÍA Y OTROS PARÁMETROS DE LOS AGREGADOS
En el caso del departamento de Boyacá la información disponible es parcial, en el
sentido de que no está suficientemente cubierta toda la extensión del departamento; se han
desarrollado investigaciones en determinadas regiones, especialmente en inmediaciones de
Tunja, su capital. Algunas instituciones oficiales, como el Ministerio de Minas y Energía,
Colciencias, y el Observatorio Colombiano de Ciencia y Tecnología han presentado
investigaciones específicas sobre algunos yacimientos. Sin embargo, la presencia de minas
de minerales preciosos y carbón ha hecho que los estudios se concentren más en estos
productos de alto valor comercial, dejando en un segundo plano la investigación sobre minas
de agregados pétreos en esta zona del país.
Boyacá produce proporcionalmente menor cantidad de gravas que la que se produce
en las demás regiones del país.
9.2. INVENTARIO DE RECURSOS DE GRAVAS Y ARENAS
EN COLOMBIA Y EN EL DEPARTAMENTO DE BOYACÁ
La disponibilidad de agregados pétreos en Colombia se debe a la existencia de tres
cordilleras, así como la llanura del oriente del país. En la Cordillera Oriental se encuentran
97
especialmente rocas clásticas y bioclásticas, así como ciertas formaciones de los períodos
Cretáceo, Terciario y Cuaternario; en las zonas de Cáqueza, Caballos, Une y Guadalupe, se
vinculan con la era Cretácea inferior y superior. Así mismo, en la zona norte se encuentran
arenas, gravas y agregados pétreos en las formaciones Río Nero, Aguardiente, Barco y
Mirador.
A su vez, la Cordillera Occidental ofrece rocas volcánicas y metamórficas
relacionadas con sedimentitas del Neógeno, que incluye formaciones Guachinte, Ferreira y
Esmita. La Cima se conforma tanto de arenitas finas, como conglomerados de cuarzo, con
espesores de 100 a 150 mm; el componente Suárez de la formación Ferreira y la Esmita
aportan arenosas y conglomeráticas. Entre tanto, la Cordillera Central está integrada
especialmente por rocas ígneas, metamórficas y volcánicas.
Específicamente en el departamento de Boyacá se logró localizar alguna información
tanto en fuentes del Estado como en investigaciones de carácter académico y fuentes
especializadas; en efecto, organismos como la Gobernación del Departamento, Colciencias,
el Observatorio Colombiano de Ciencia y Tecnología, la Universidad Santo Tomás a través
de diferentes trabajos y de la revista L’Esprit Ingénieux, el Instituto de Investigación de
Recursos Biológicos Alexander von Humboldt y el Ministerio de Minas y Energía han
realizado esfuerzos en este terreno, aunque su cobertura geográfica y temática sobre la
caracterización de los agregados del departamento es parcial.
9.3. OPORTUNIDADES DE INVESTIGACIÓN
En el Departamento de Boyacá existen amplias oportunidades de investigación en
relación con la disponibilidad de agregados pétreos, así como en la caracterización geológica
98
de las diferentes regiones que lo conforman. El extenso departamento incluye terrenos
localizados en la cordillera oriental, así como zonas de llanura hacia la región del Casanare,
por lo que existe diversidad de alturas y de conformaciones geológicas, por lo que se pueden
encontrar materiales de diversos períodos geológicos. Sin embargo, la ausencia de
investigaciones que cubran todo el departamento constituye una oportunidad para que las
entidades del Estado, con el respaldo de instituciones universitarias, realicen un inventario
en las diferentes regiones de Boyacá, con base en criterios estandarizados y procesos
uniformes, con el fin de construir una línea de base que permita contar con información
estandarizada, ordenada y completa.
La sola disponibilidad de información puede convertirse en una oportunidad no
solamente para los académicos interesados en el tema sino para los inversionistas, los
constructores, las empresas mineras y en general todas las partes interesadas en la industria
de la construcción. La caracterización de las propiedades de los agregados, su cuantificación,
su localización y su utilidad podría organizarse en una especie de guía cuya utilidad
trascendería el interés académico y les daría aún más valor a esas investigaciones.
El interés de los estudiantes por este tema permitirá generar más prácticas de campo
que ayuden a descubrir más las fuentes de agregados pétreos en el departamento de Boyacá,
que a su vez contribuirá a ampliar la información existente del tema, mediante artículos
científicos que contengan información verídica. Enriqueciendo el conocimiento de los
futuros ingenieros y de los interesados en el tema.
99
Conclusión respecto a los resultados encontrados:
La búsqueda de información sobre las fuentes de agregados pétreos en el
departamento de Boyacá, deja ver que actualmente se encuentra información de los
municipios más relevantes que tocan el tema, es decir que durante el desarrollo de la
investigación las fuentes verídicas como lo son, paginas oficiales, trabajos de grados,
artículos y libros establecen información general específicamente en los municipios que
cuentan con mayor cantidad de agregados pétreos; evidenciando que hay carencia de
información del tema en los otros municipios de los 120 del departamento.
Estableciendo información teórica por medio de auscultaciones de los afloramientos
de los municipios del departamento se podrán generar documentos verídicos de interés para
las entidades gubernamentales departamentales y municipales. Gracias a que con la
recolección de esta información se brindara un interés a futuros inversionistas, que a su vez
permitirá el crecimiento del municipio y/o departamento.
De igual manera con la información recolectada se obtiene un conocimiento más
sólido de los agregados pétreos para ser aplicados en obras civiles.
100
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