B-1

ANEXO B

ENSAYOS Y CONTROL DE ÁRIDOS B.1. INTRODUCCIÓN En el desarrollo de este estudio se contemplan ensayos que permiten establecer las diferentes características de los áridos utilizados para la confección de los hormigones. La NCh 163 Of.79, es la que recomienda y establece los requisitos que se deben tener presente para asegurar áridos satisfactorios para los hormigones. Se estipulan en dicho documento además todos los parámetros que se requieren para realizar el diseño de la dosificación de hormigones. Los ensayos que se efectuaron a los áridos para el desarrollo de este trabajo fueron realizados en el laboratorio del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles de la Universidad de Santiago de Chile, y: son los que se detallan en los siguientes puntos. B.2. ENSAYOS B.2.1. Determinación colorimétrica de la presencia de impurezas orgánicas en las arenas para hormigones (NCh 166 Of. 62) La justificación de la realización de este ensayo es que la presencia de impurezas orgánicas en un árido puede, en algunas ocasiones, modificar las reacciones químicas del cemento con el agua, alterando el correcto fraguado y endurecimiento del hormigón. Según la norma NCh 166 Of.62, el procedimiento para determinar la presencia de impurezas orgánicas en las arenas por el método de comparación de coloraciones, consiste en tratar una muestra de ensayo con una solución de hidróxido de sodio y comparar la coloración obtenida con la coloración de una solución tipo de ácido tánico. A continuación se detalla el procedimiento: - Según las recomendaciones del personal de laboratorio y siguiendo lo establecido en la NCh 166 Of.62, se preparó una solución de soda cáustica al 3%. - En una matraz de vidrio transparente se colocaron 200 gr de arena, vertiendo además aproximadamente 100 cc de la solución preparada. - Se agitó la mezcla en el matraz y se dejó reposar durante un periodo de 24 horas. Finalmente se comparó colorimétricamente la muestra de arena ensayada con el color patrón.

B-2

Figura B.1. Colorimetría de la arena utilizada.

B.2.2 Tamizado y determinación de la granulometría de los áridos (NCh 165 Of. 77) A continuación se detalla el procedimiento efectuado para el tamizado y determinación de la granulometría de los áridos empleados según lo establecido en la NCh 165 Of.77. En esta norma, se define granulometría como la distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de partículas (granos) que constituyen un árido. La importancia de la distribución de los distintos tamaños de partículas de un árido en el hormigón, radica en que de ella dependerán las diferentes propiedades de éste, influyendo de manera considerable, por ejemplo, en su trabajabilidad, estabilidad volumétrica, resistencias mecánicas y permeabilidad. Conocida la granulometría de los áridos utilizados, es posible la determinación del módulo de finura del árido y su expresión gráfica representada por la curva granulométrica, lo cual es fundamental en la determinación de la dosificación del hormigón. Para la realización del tamizado y determinación de la granulometría de los áridos utilizados en el estudio, se realizó el siguiente procedimiento: - Se acondicionó una muestra de áridos, homogenizándola en el laboratorio en estado húmedo y se redujo por cuarteo manual según la NCh 164 Of.76.

Figura B.2. Cuarteo de áridos, según NCh 164 Of.76.

B-3

- La muestra obtenida por cuarteo se secó hasta masa constante en horno a una temperatura de 110 ºC + 5 ºC. - Se registró la masa de la muestra seca y luego se tamizó considerando una aproximación de 1gr. Los tamices utilizados fueron los correspondientes a la serie preferida establecida en NCh 165 Of.77. - Se registró la masa de las fracciones del árido retenidas en cada uno de los tamices, corroborando que la masa total o suma de las fracciones de árido retenido en cada tamiz y en el recipiente receptor, no difiriera en más de 3% para las arenas y de 0,5% para las gravas con respecto a la masa inicial de ensayo. - Se calcularon los porcentajes parciales retenidos y acumulados que pasaron por cada abertura, para luego finalmente expresar la granulometría del agregado. Para la determinación del módulo de finura de los áridos utilizados en este trabajo se utilizó el procedimiento estipulado en el anexo A de la NCh 165 Of.77. Es preciso dar a conocer que se entiende por modulo de finura de los agregados, como el valor correspondiente a la centésima parte de la suma de los porcentajes retenidos acumulados en los tamices de la serie preferida. B.2.3. Determinación de la densidad aparente (NCh 1116 Of. 77) Es posible entender la densidad aparente de los agregados como el cuociente entre el peso y el volumen del material, expresado en kg/m3. La NCh 1116 Of.77 define la densidad aparente como la densidad en que se considera el volumen macizo de las partículas de un árido, más el volumen de los poros y de los huecos. Este volumen corresponde a la capacidad de la medida que lo contiene. Densidad Aparente Suelta Daps: Para la determinación de la densidad aparente suelta de los áridos considerados para el desarrollo de esta memoria se llevó a cabo el siguiente procedimiento experimental, previo secado de los áridos al horno a 110 ± 5 ºC por 24 horas: - Se llenó una medida de volumen conocido (V) mediante la utilización de una poruña descargándola desde una altura de aproximadamente 5 cm sobre el borde superior de la medida. - Se desplazó la poruña alrededor del borde de la medida con el objeto de distribuir uniformemente el material. - Se enrasó la medida utilizada con la varilla pisón teniendo especial cuidado de no presionar el contenido, con el objeto de eliminar el exceso de árido.

B-4

- Se determinó y registró la masa de árido suelto (ms) en kg que llena la medida utilizada aproximando a 1 gr. - Se calculó la densidad aparente suelta (Daps) aproximando a 1 kg/m3, según la expresión siguiente:

)( 3mkg

Vm

D saps = (B.1)

Donde: ms : Masa suelta de la muestra de árido en kg. V : Volumen del recipiente o capacidad volumétrica de la medida en m3. Densidad Aparente Compactada Dapc: Para la determinación de la densidad aparente compactada por pisón de los agregados fue necesario llevar a cabo el siguiente procedimiento experimental: - Se llenó una medida de volumen conocido (V) mediante la utilización de una poruña en tres capaz aproximadamente iguales, teniendo en la ultima capa un exceso de árido por sobre el borde de la medida. - Se emparejó y compactó cada capa mediante 25 golpes de pisón uniformemente repartidos. - Se apisonó cada una de las capaz teniendo en consideración que el pisón debe penetrar la capa inmediatamente inferior. - Se enrasó la medida utilizada con la varilla pisón, teniendo especial cuidado de no presionar el contenido, con el objeto de eliminar el exceso de árido. - Se determinó y registró la masa de árido compactado (mc) en kg. que llena la medida utilizada aproximando a 1 gr. - Se calculó la densidad aparente suelta (Dapc) aproximando a 1 kg/m3, según la expresión siguiente:

)( 3mkg

vmD c

apc = (B.2)

Donde: mc : Masa compactada de la muestra de árido en kg. V : Volumen del recipiente o capacidad volumétrica de la medida en m3. La densidad aparente de un árido corresponderá al promedio aritmético de dos ensayos sobre muestras gemelas, cuyos valores no deberán variar en más de 30 kg/m3.

B-5

B.2.4. Densidad real, neta, y absorción de agua de la gravilla (NCh 1117 Of. 77) La NCh 1117 Of. 77 establece los procedimientos para determinar las densidades real y neta y la absorción de agua de los áridos gruesos o gravas de densidad real normal. Se define, según la norma mencionada anteriormente, la densidad real como aquella en que se considera el volumen macizo de las partículas del árido, más el volumen de los poros accesibles e inaccesibles de esas partículas. Para esta densidad se distinguen los valores de la densidad real del árido seco y del árido en estado saturado superficialmente seco, donde el primero considera solamente la masa del árido seco y el segundo el del árido seco más la masa de agua que llena los poros accesibles. Con respecto al estado superficialmente saturado seco, se puede mencionar que corresponde al grado y distribución de humedad correspondiente a las cavidades accesibles, sin presencia de agua libre en la superficie. La densidad neta corresponde a la densidad en que se considera el volumen macizo de las partículas más el volumen de los poros inaccesibles. En relación a la absorción de agua, se puede dar a conocer que ésta se relaciona básicamente con la porosidad interna de los granos del árido, definiendose como la masa de agua necesaria para llevar un árido de estado seco a estado superficialmente saturado seco. La densidad real y neta permiten conocer los volúmenes compactos del árido con el fin de dosificar hormigones. La absorción está íntimamente relacionada con la porosidad interna de los granos de árido y con la permeabilidad de los morteros y hormigones. Para la determinación de la densidad real, neta y absorción de agua de la gravilla utilizada para el desarrollo de esta memoria se llevó a cabo el siguiente procedimiento experimental según lo establecido en la NCh 1117 Of.77: - Se procedió por cuarteo manual a la selección de una muestra no inferior a 4 kg de material que fue lavada y que se dejó saturar por 24 horas. - Se pesó la muestra saturada bajo agua en un canastillo sumergido, y se registró su masa como msum. - La misma muestra se secó con paños absorbentes, hasta que todos los granos se tornaron opacos, para dejarla en estado saturado superficialmente seco, y se pesó registrando su masa como msss. - Luego la muestra se secó en un horno a 110 ± 5 ºC por 24 horas y se pesó, registrando su masa como ms. Obteniendo estas tres pesadas, se calculó la densidad real, neta y absorción de la gravilla a través de las siguientes formulas respectivamente:

B-6

Densidad Real (Dr): La densidad real de la gravilla saturada superficialmente seca (Drsss) se calcula por la fórmula siguiente:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−= 3100 m

kgmm

mDr

sumsss

ssssss

(B.3) Donde: Drsss : Densidad real seca superficialmente saturada. msss : Masa superficialmente saturada seca en kg. msum : Masa sumergida en kg. La densidad real de la gravilla en estado seco (Drs) se calcula por la fórmula siguiente:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−= 31000 m

kgmm

mDr

sumsss

ss

(B.4) Donde: Drs : Densidad real seca. ms : Masa seca en kg. msss : Masa superficialmente saturada seca en kg. msum : Masa sumergida en kg. Densidad Neta (Dn): La densidad neta de la gravilla se calcula por la fórmula siguiente:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−= 31000 m

kgmm

mD

sums

sn

(B.5)

Donde: Dn : Densidad neta. ms : Masa seca en kg. msum : Masa sumergida en kg. Absorción de Agua (Abs): La absorción de agua de la gravilla se calcula por la fórmula siguiente:

%100⋅−

=s

ssss

mmm

Abs (B.6)

B-7

Donde: Abs : Absorción de agua de la gravilla en %. ms : Masa seca en kg. msss : Masa superficialmente saturada seca en kg. Los resultados de las densidades se expresaron en kg/m3, aproximando a 10 kg/m3, y la absorción de agua se expresó en porcentaje, aproximando a 0,05%. Cada valor de densidades y absorción de agua de la gravilla se obtuvieron como el promedio aritmético de dos ensayos sobre muestras gemelas, siendo aceptada la determinación de densidades y absorción del agregado cuando la diferencia entre dos resultados obtenidos por un mismo operador en ensayos sobre muestras gemelas fuera igual o inferior a 30 kg/m3 en la determinación de densidades e igual o inferior a 0,3% en la determinación de la absorción de agua. B.2.5. Densidad real, neta y absorción de agua de las arenas (NCh 1239 Of.77) La norma NCh 1239 Of.77 establece los procedimientos para determinar las densidades real y neta y la absorción de agua de los áridos finos o arenas de densidad real normal. Si la muestra de laboratorio contiene un porcentaje igual o inferior a 15% de material retenido en el tamiz de 5 mm, se deberá eliminar dicha fracción retenida, y a la fracción que pasa se le aplica el procedimiento. Si el porcentaje es superior al 15% se debe separar en dos fracciones por el tamiz de 5 mm y se determinará por separado cada fracción. En este caso los resultados se expresarán como el promedio ponderado de las densidades real y neta y absorción de agua correspondiente a ambas fracciones. Para la determinación de la densidad real, neta y absorción de agua de la arena se llevó a cabo el siguiente procedimiento experimental según lo establecido en la NCh 1239 Of.77: - La muestra humedecida de arena se redujo por cuarteo a una cantidad de arena aproximada del doble del tamaño de muestra requerida. Posteriormente se secó en horno hasta masa constante a una temperatura de 110 + 5ºC. - La muestra se sumergió en agua por 24 horas con el objeto de saturarla. - Con el objeto de lograr el estado seco superficialmente saturado de la muestra, se procedió a secar suavemente la arena en cocinilla hasta conseguir que, compactada en un molde tronco cónico con 25 golpes con un pisón normalizado, se produzca un desmoronamiento según talud natural. Conseguido lo anterior se tomó una cantidad de arena a ensayar superior a 50 gr e inferior a 500 gr. - Se midió y registró la masa de un matraz de laboratorio con agua hasta la marca de calibración (Ma).

B-8

- Se colocó la muestra de arena en estado seco superficialmente saturado en el matraz de laboratorio y se vuelve a llenar con agua hasta la marca de calibración. - Se agitó el matraz a fin de eliminar burbujas de aire golpeándolo contra la palma de la mano. - Para lo anterior se utilizó, con el objeto de eliminar las burbujas de aire de mejor manera, una cámara de vacío. - Se registró la masa total del matraz más la muestra de ensayo más agua (Mm). Obtenidos los valores mencionados anteriormente, se calculan los valores de densidad real, neta y absorción de agua de la arena utilizando las expresiones que se detallan a continuación: Densidad Real (Dr): La densidad real de la arena en estado saturado superficialmente seco (Drsss) se determina a través de la expresión siguiente:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−+= 31000 m

kgMmM

mDr

msssa

ssssss (B.7)

Donde: Drsss : Densidad real seca superficialmente saturada. Ma : Masa del matraz con agua hasta la marca de calibración expresado en gr. msss : Masa seca superficialmente saturada en gr. Mm : Masa del matraz con la muestra más agua hasta la marca de calibración en gr. Para las arenas en estado seco, la densidad real (Drs) es posible de determinar mediante la expresión de (B.8).

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−+= 31000 m

kgMmM

mDrmsssa

ss (B.8)

Donde: Drs : Densidad Real Seca. ms : Masa Seca. Ma : Masa del matraz con agua hasta la marca de calibración. msss : Masa Seca Superficialmente Saturada. Mm : Masa del matraz con la muestra más agua hasta la marca de calibración.

B-9

Densidad Neta (Dn): Para la determinación de la densidad neta (Dn) de la arena utilizada para el desarrollo de este estudio se utilizó la expresión que se presenta a continuación:

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅

−+= 31000 m

kgMmM

mD

msa

sn (B.9)

Donde: Dn : Densidad neta. ms : Masa seca en gr. Ma : Masa del matraz con agua hasta la marca de calibración en gr. Mm : Masa del matraz con la muestra más agua hasta la marca de calibración en gr. Absorción de Agua (Abs): La absorción de agua (Abs) de la arena se determinar según la expresión (B.10).

%100⋅−

=s

ssss

mmm

Abs (B.10)

Donde: Abs : Absorción. ms : Masa de la muestra de arena en estado seco en gr. msss : Masa de la muestra saturada superficialmente seca en gr. Los resultados de las densidades real y neta de la arena se expresaron en kg/m3, aproximando a 10 kg/m3, y la absorción de agua se expresó en porcentaje, aproximando a 0,05%. Cada valor de densidades y absorción de agua de la gravilla se obtuvieron como el promedio aritmético de dos ensayos sobre muestras gemelas, siendo aceptada la determinación de densidades y absorción del agregado cuando la diferencia entre dos resultados obtenidos por un mismo operador en ensayos sobre muestras gemelas fuera igual o inferior a 30 kg/m3 en la determinación de densidades e igual o inferior a 0,4% en la determinación de la absorción de agua. B.2.6. Determinación del porcentaje de huecos (NCh 1236 Of. 77) Se entenderá por los huecos de un árido a las separaciones o vacíos de los granos mayores que no son llenados por granos menores. Si bien el contenido de huecos que tiene un árido no se emplea directamente en el cálculo de dosificación, es un valor que permite comprobar la regularidad granulométrica de él, específicamente relacionado con el concepto de compacidad de la dosificación, el cual se refiere al relleno de los huecos [56].

B-10

Los huecos se expresan en porcentajes y representan la relación entre el volumen de vacíos y el volumen aparente de los granos contenidos en un recipiente. La siguiente expresión permite determinar el porcentaje de huecos de un árido:

%100⋅=VapVhH (B.11)

Donde: Vh :Volumen de huecos. Vap : Volumen aparente. La norma NCh 1326 Of.77 establece el procedimiento para determinar el contenido de huecos de los áridos, el que se calcula a partir de los resultados de densidad real y densidad aparente del mismo árido. La expresión que se establece en esta norma es la que se presenta a continuación:

%100⋅−

=rs

rs

DDapcD

H (B.12)

Donde: H : Contenido de huecos en %. Drs : Densidad real seca del árido. Dapc: Densidad aparente compactada seca del árido. El procedimiento experimental desarrollado para la determinación del porcentaje de huecos de la gravilla utilizada en esta memoria es el que se detalla a continuación: - Se llenó un recipiente de volumen conocido (V), con una capacidad aproximada de 10 l, con 3 capas de gravilla apisonadas con 25 golpes cada capa. - Se enrasó la superficie del recipiente, teniendo especial cuidado en no acomodar los granos, y mediante una probeta volumétrica se midió la cantidad de agua consumida hasta que se enrasa. El volumen de agua ocupado (Vw) representa el contenido de huecos. - El porcentaje de huecos de la gravilla se determinó mediante la expresión (B.13).

%100⋅=VV

H w (B.13)

Donde: V : Volumen de recipiente. Vw : Volumen de agua consumida para enrasar. El procedimiento experimental para la determinación de porcentaje de huecos para la arena utilizada se detalla a continuación.

B-11

- Se tomó una muestra de arena en estado saturado superficialmente seco. - En una probeta volumétrica se vació la arena en estado saturado superficialmente seco, compactando suavemente hasta tener aproximadamente 500 cm3. - Luego, se vaciaron los 500 cm3 de arena en otra probeta que contenía un volumen de 300 cm3 de agua. - Se agitó el contenido de arena con agua y registrándose el volumen final (Vf). - El porcentaje de huecos de la arena se determinó utilizando la expresión siguiente:

( )%100

500300500

⋅−+

= fVH (B.14)

B.2.7. Determinación del material fino menor a 0,08 mm (NCh 1223 Of. 77) El material más fino, que el tamiz 0,08 mm, que posee un árido se conoce generalmente como arcilla; material que recubre los granos de árido formando una película que desmejora la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, lo cual afecta a la resistencia mecánica del hormigón. El procedimiento establecido en la norma NCh 1223 Of.77, consiste en determinar la masa inicial de una muestra de ensayo, separar el material fino mediante lavado y tamizado, y expresar la pérdida de material respecto a la masa inicial. Para el ensayo se utilizan dos tamices, de 1,25 mm y 0,080 mm. Provisoriamente se acepta el uso de los tamices de 1,18 mm y 0,075mm, correspondientes a los tamices ASTM N° 16 y 200 respectivamente. El desarrollo experimental realizado para la determinación de material fino inferior al tamiz 0,08 mm para la arena utilizada en este trabajo se detalla a continuación: - Se secó en horno la muestra a ensayar hasta masa constante a una temperatura de 110 ± 5°C. -Se determinó y registró la masa inicial de la muestra de ensayo en estado seco ma (masa del árido antes de lavar) aproximando a 0,1 gr. - Se colocó la muestra de arena en el tamiz Nº 200, para posteriormente agregar agua potable hasta cubrirla. - Se agitó vigorosamente la muestra en el agua de modo de separar el material más fino, dejándolo en suspensión.

B-12

- Para eliminar la totalidad de material fino se lavó la muestra tantas veces como fuera necesario con el objeto de que el agua con la muestra permanezca limpia y clara. - Se secó el material reunido hasta masa constante a 110 ± 5°C. - Se pesó y registró la masa de la muestra de ensayo lavada y seca md (masa después de lavar) aproximando a 0,1 gr. para arenas. - Se calcula el material fino inferior a 0,080 mm, aproximando a 0,1% según la fórmula:

%100⋅−

=a

da

mmm

F (B.15)

Donde: F : Contenido de finos menor a 0,08 mm en porcentaje. ma : Masa árido seco antes de lavar en gr. md : Masa árido seco después de lavar en gr. B.2.8. Determinación del esponjamiento en la arena (E) La arena al estar húmeda superficialmente, ocupa un mayor volumen que estando seca. Si se tiene una cierta cantidad de material granular fino seco y se compacta es posible obtener un volumen V. Al humedecer levemente esta misma cantidad y se compacta, ocupará un mayor volumen. Repitiendo la operación anterior con creciente cantidad de agua, su volumen aumentará hasta un valor máximo para luego ir disminuyéndolo, a medida que se agrega más agua, hasta alcanzar el mismo volumen seco V. Este aumento de volumen se denomina "esponjamiento" (E) y es un valor típico para cada arena.

Figura B.3. Esponjamiento.

B-13

En la figura B.3 se ilustra el aumento de volumen de la arena debido al esponjamiento. La explicación física de este fenómeno, es que al compactar un material seco, los granos toman contacto entre sí dejando un mínimo de huecos. Al humedecer los granos se cubren con una película de agua muy firme y difícil de romper por las fuerzas intermoleculares entre la superficie de los granos y la película de agua (agua elástica). Debido a esta película es que el volumen aumenta. Esta película no crece indefinidamente sino que llegado a cierto espesor, se .rompe, y los granos vuelven a tomar contacto entre si y el agua se localiza en los huecos que quedan entre ellos (agua libre) [5]. El procedimiento experimental para la determinación del esponjamiento de las arenas utilizadas en este trabajo es el que se detalla a continuación: - Se sumergió un volumen inicial de aproximadamente 250 cm3 de arena húmeda (Vi) - Se agitó fuertemente la probeta para expulsar las burbujas de aire y se dejó asentar de 2 a 3 minutos asegurando que la arena se asiente en forma compacta sin dejar huecos. - Se midió y registró el volumen final de la arena (Vf), luego el esponjamiento estará dado por la expresión que se presenta a continuación:

%100⋅−

=f

fi

VVV

E (B.16)