TECNOLOGÍA DEL HORMIGÓN

DISEÑO DE MEZCLAS

PARTE I

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El hormigón es un pseudo sólido, sujeto en el tiempo a fenómenos físicos-químicos localizados en la pasta de cemento, por la actividad del mismo, como por el equilibrio termodinámico con el ambiente. El hormigón ha sido definido así- como un sistema de dos fases: una de las cuales, la pasta del cemento, presenta un comportamiento viscoso, mientras que la otra fase, formada por los agregados, muestra un comportamiento casi elástico. Estando los agregados rodeados y separados entre ellos por la pasta de cemento. Resulta así, la definición de un material heterogéneo, cuya estructura particular posibilita un comportamiento inelástico; siendo las deformaciones de la fase viscosa susceptible de ser modificadas por el tiempo y las condiciones de curado, creando tensiones internas considerables. Una nueva ciencia, de alta calidad experimental, tiende a solucionar éstas cuestiones. Ella es la Reología, que estudia e investiga la estructura física de las pastas, su deformación y relación con las propiedades requeridas en cada tipo de construcción.

DISEÑO DE MEZCLASEn el caso del hormigón normal conocemos que al ser usado en pavimentos, tiene principalísima importancia la resistencia a la tracción, al rozamiento e intemperismo y la relación que guardan con el tipo de áridos, la compacidad, etc.En el caso del hormigón en grandes masas, es necesario tener en cuenta la retracción y dilatación debida a las temperaturas de fraguado y la influencia del tipo del cemento, el curado y forma de la puesta en obra. En las obras portuarias de hormigón, es preciso considerar la acción de sucesivos choques o impactos así como la acción destructora del agua de mar, incidiendo en la calidad y compacidad del agregado, la hidraulicidad de la pasta, etc.Igualmente, en el caso del hormigón armado acrecentar la resistencia a la tracción y mejorar la docilidad de las mezclas frescas son los problemas característicos. En general las altas resistencias a la compresión no son objeto de búsqueda en el hormigón armado, pues la resistencia a la tracción no crece proporcionalmente con la de compresión.Además; si bien la retracción del hormigón origina solicitaciones de compresión en las barras de refuerzo quedando este traccionado, la deformación lenta contribuye a disminuir el fenómeno.

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En el hormigón pretensado la situación es diferente. La precomprensión a que es sometido el hormigón anula el efecto de las solicitaciones exteriores que producen tracción, eliminando el peligro de fisuración. De esta manera, el hormigón trabaja únicamente a compresión, y cuanto mayor sea su resistencia a esta solicitación tanto mayores serán las tensiones admisibles. Pero para que la precomprensión del hormigón sea efectiva es necesario que ésta sea permanente. El hormigón libre en determinados ambientes se deforma, en mayor o menor magnitud según su composición. Igualmente, bajo cargas continuadas, sobre un límite de la mitad de la de rotura, experimenta también deformaciones apreciables. Ambos fenómenos, conocidos como la retracción y la fluencia plástica tienden a: 1. Modificar los esfuerzos aplicados a los elementos al variar las reacciones de apoyo, y 2. Modificar los esfuerzos internos por la reacción del acero y el hormigón en los sistemas adherentes. Quedan así precisadas tres cuestiones determinantes en el comportamiento de los hormigones: la alta resistencia a la compresión, la retracción y la fluencia plástica.

DISEÑO DE MEZCLASLA RETRACCION Desde el siglo pasado, la deformación del hormigón libre de cargas ha sido un tópico estudiado por numerosos investigadores los que desde un principio aceptaron las teorías de Considere, que precisó que el origen del fenómeno de retracción se encontraba en las pastas del cemento.Fueron sin embargo los trabajos de Freyssinet los que plantearon más claramente el problema. Las deformaciones sin carga, según las condiciones en que se efectúa, presentan las siguientes formas: A. Retracción; disminución característica de volumen de la pasta. 1.-Intrinseca: Sin relación con la humedad del medio ambiente (ej. hormigón en grandes masas; de difícil difusión) de carácter decreciente y de largo tiempo de duración. Se debe a los fenómenos de la hidratación del cemento. 2.-Ecológica: Que guarda relación con la disminución en peso de la muestra. Se supone que se debe al desprendimiento del agua capilar, producida hasta una humedad de 0.45, luego de lo cual se debe presentar una reducción de la sustancia gelatinosa.

DISEÑO DE MEZCLASLa retracción ecológica puede ser: 2.a. Reversible; en cuanto al colocar el material en agua o en un medio más húmedo aumenta de volumen. 2-b. Irreversible; deformación que resta y que se supone debida a la deformación plástica de los agregados sujetos a las tensiones internas propias de la retracción. B. Hinchazón; aumento de volumen como resultado de incremento de agua. En un medio favorable, de alta higroscopia, la pasta se hincha con aumento aparente de volumen.

LA RESISTENCIAUna comprobación experimental de alto valor estadístico es la bien conocida relación de proporcionalidad existente entre la resistencia de compresión de las pastas puras y, los hormigones que con ellas se fabrican. Por si esto fuera poco, podemos considerar también que la ruptura de los hormigones, se produce inicialmente por separación de las superficies de contacto de la pasta y del agregado al sobrepasarse su adherencia.

DISEÑO DE MEZCLASPero fue Freyssinet, quien en 1933 llevó más adelante este principio introduciéndolo en las pastas mismas, supuso que las pastas serían más resistentes cuanto más compactas fueran. Es decir, cuando los canalículos plenos de agua y aire fueron los menos y más pequeños posibles. Esto se obtiene cuando la cantidad de agua que no se combina con el cemento es lo más baja posible y cuanto mayor es la superficie intersticial de los elementos activos de la pasta. Comprobaciones expresadas en los siguientes principios: 1. Que la resistencia de la pasta es proporcional al volumen del cemento hidratado dividido por la suma de los volúmenes del cemento hidratado más el agua sin combinar. 2. Que dicha resistencia es también proporcional al área de la superficie intersticial por unidad de volumen de la pasta. Giertz y Hedstrom decían, basados en numerosas experiencias, que era posible en una primera aproximación considerar la resistencia como una función del grado de hidratación e independiente de la calidad del cemento, Es decir, que la resistencia se puede expresar como una función del volumen de la fase sólida por unidad de volumen de la pasta endurecida

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LA DURABILIDAD. La durabilidad del hormigón, se ve afectada principalmente, por los siguientes efectos perjudiciales: a. Acción del agua; especialmente presiones internas en el hormigón sujeto a heladas. b. Reacción de los cementos con determinado tipo de agregados.c. Ataque exterior de aguas agresivas, elementos químicos, etc.Los cambios de temperatura y su descenso hasta la temperatura de congelación producen la expansión del agua, que puede llegar a un 9%, originando presiones del orden de 2,000 kg/cm2, que ocasionan la desintegración del hormigón. Estos fenómenos pueden ser atenuados por un cuidadoso y baja dosificación de la relación agua / cemento y una correcta selección de los agregados. Igualmente, pueden corregirse los efectos de las heladas por el uso de incorporadores de aire.

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La durabilidad del hormigón, se ve afectada también por los siguientes efectos perjudiciales de las aguas agresivas que atacan al hormigón: 1. Las aguas llamadas puras, cuyo PH a la temperatura de 209° C es de 7 y su grado hidrotimétrico es inferior a 6, disuelven la cal del cemento portland e hidrolizan los silicatos y aluminatos. 2. Las aguas ácidas, generalmente de carácter industrial o las naturales con disolución de gas carbónico, con una acción más marcada que las anteriores.3. Las aguas alcalinas, que generan la corrosión de determinados cementos, provenientes de terrenos graníticos y porfíricos. 4. Las aguas selenitosas, que son las más agresivas, forman una sal doble fuertemente hidratada, el sulfoaluminato tricálcico, pulverulento.5. Las aguas de mar, que como sucede con las aguas selenitosas forma la sal de CandIot en contacto con los aluminatos del cemento.

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LOS MATERIALES DEL HORMIGÓNDOSIFICACIÓN DE CEMENTO. De los ensayos realizados por G. Arobelidze y V. Soroker se desprende que cuando la cantidad de cemento pasa un cierto valor límite, la resistencia del hormigón cesa de aumentar. Dicho valor está en relación con la viscosidad, decreciendo cuando ésta aumenta. Ley¡ y Pizetti, calculan dicho valor en 450 kg. por metro cúbico.El uso del microscopio electrónico en la investigación del cemento Portland ha permitido determinar que la causa del endurecimiento de las pastas hidratadas es el silicato tricálcico, principalmente en los primeros días, interviniendo luego el silicato bicálcico. El aluminato tricálcico presentaba también activa intervención en los primeros 28 días.

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Desde otro punto de vista, se puede suponer que el cemento debe cumplir dos funciones en el hormigón: 1. Cubrir la superficie del agregado. 2. Rellenar los huecos existentes, El primer valor lo podríamos obtener fácilmente igualando los valores de la superficie del agregado, que se puede obtener por numerosos métodos, como el de Edward y Young entre otros, con la superficie de la pasta hidratada. En los trabajos de Ville y Mironov, se determina la máxima compacidad del agregado, usando consolidación enérgica a fin de deducir el volumen de vacíos que debe de llenar la pasta de cemento.

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DOSIFICACIÓN DE AGUA Powers, ha aproximado la cantidad de agua necesaria a la hidratación en 0.25 del peso del cemento. Sin embargo, tal límite se excede en la práctica, pues es necesario considerar que el hormigón está hecho con agregados, en gran parte finos, que absorben agua, lo que impediría la hidratación del cemento. Aparece pues la necesidad de un exceso de agua, que llamaremos agua de mezcla, independiente del agua requerida para el fraguado. La intervención de este exceso de agua o agua de mezcla, es indispensable ya que por ella el cemento forma una pasta que se reparte uniformemente sobre la superficie del agregado contribuyendo a la trabajabilidad, y creando la resistencia del conjunto al endurecerse.De no realizarse este reparto uniforme el contacto entre los agregados inertes crearía puntos de fractura, dando así un material sumamente frágil. Por otra parte una pasta seca produce segregación y falta de homogeneidad en el hormigón.

EJERCICIOConociendo la dosificación de volúmenes aparente que se indica, calcule las cantidades en dmᶟ, en kg para elaborar un metro cúbico de hormigón y la dosificación respectiva.

Σ Volúmenes reales = 1000 dmᶟ

0,7x + 0,48x + 1,15x + 2,37x = 1000 dmᶟ

4,7x = 1000 dmᶟ

X = 1000/4,7 = 213 dmᶟ

Materiales Dosis Volumenaparente

Peso EspecíficoKg/dmᶟ

Peso UnitarioKg/dmᶟ

VolumenAparente

PesoP = Va.δa

Vol. RealV=P/δr (c/mᶟ)

Agua 0,7 1,0 1,0 0,7X 0,7X = 0,7x 0,7x/1 = 0,7x

Cemento 1,0 3,15 1,5 x x(1,5)= 1,5x 1,5x/3,15= 0,48x

Arena 2,0 2,6 1,5 2x 2x(1,5)= 3x 3x/2,6= 1,15x

Ripio 4,0 2,7 1,6 4x 4x(1,6)= 6,4x 6,4x/2,7= 2,37x

EJERCICIO

Materiales Volúmenes Aparente (dm³)

Peso = Va.δaCantidades (kg)

Dosificación Al peso

Agua 149 149(1) = 149 0,47

Cemento 213 213(1,5) = 320 1,0

Arena 426 426(1,5) = 639 2,0

Ripio 852 852(1,6) = 1363 4,26

Σ = 1640 Σ = 2471