Informe académico nº 01 (1 er avance)
- 1. FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÌA CIVIL Importancia del Diseño de Mezclas en la construcción AUTOR: Lara Montenegro, Joel Ángel (orcid.org/0000-0001-8944-9776) Livaque Aguilar, Jhon Fredy (orcid.org/0000-0003-4766-7411) Ramírez Juarez, Elías (orcid.org/0000-0001-6328-0642) Rodas Saldaña, Sandra Yadira Orcid(orcid.org/0000-0003-1571-5992) Villacís Mondragón, Hernán (orcid.org/0000-0003-4155-5777) ASESORA: Mg. Simpalo Huamán, Aracely Mercedes (orcid.org/0000-0001-5287-3741) LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Diseño Sísmico y Estructural MOYOBAMBA – PERÚ 2021
- 2. 1 ÍNDICE ÍNDICE .............................................................................................................................................. 1 I. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................... 2 II. ANTECEDENTES ................................................................................................................... 3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................................... 12
- 3. 2 I. INTRODUCCIÓN Es un proceso que consiste en calcular las proporciones de los elementos que forman el concreto, con el fin de obtener los mejores resultados. Existen diferentes métodos de Diseños de Mezcla; algunos pueden ser muy complejos como consecuencia a la existencia de múltiples variables de las que dependen los resultados de dichos métodos, aun así, se desconoce el método que ofrezca resultados perfectos, sin embargo, existe la posibilidad de seleccionar alguno según sea la ocasión. En oportunidades no es necesario tener exactitud en cuanto a las proporciones de los componentes del concreto, en estas situaciones se frecuenta el uso de reglas generales, lo que permite establecer las dosis correctas a través de recetas que permiten contar con un diseño de mezcla apropiado para estos casos.
- 4. 3 II. ANTECEDENTES DE ROMA AL 1900 Las primeras referencias sobre un aglomerante con características similares al concreto están dadas por Plinio, autor romano, quien se refiere a las proporciones de un aglomerante empleado en la construcción de las cisternas romanas indicando que deben mezclarse “cinco partes de arena de gravilla pura, dos de la cal calcinada más fuerte y fragmentos de sílice. En sus construcciones tanto los griegos como los romanos empleaban material puzolánico mezclado con cal para preparar morteros hidráulicos o concretos vitruvius, el gran arquitecto romano decía de una tufa volcánica llamada puzolanas “Hay una especie de arena la cual, por si misma posee cualidades extraordinarias… Si se mezcla con cal y piedra, ella endurece tan bien bajo agua como en edificios comunes. Los mejores concretos empleados en las más famosas construcciones romanas fueron hechos de ladrillo roto, cal y puzolana. Primeras dosificaciones cuyos buenos resultados se evidencian hasta la fecha. El Panteón de Adriano es un ejemplo de ello. En 1756, el inglés John Saeaton efectúa una severa investigación de morteros en relación con la construcción del nuevo faro del poblado de Eddystone, en Inglaterra. De acuerdo a sus informes, el mortero para trabajar en agua de mar, bajo condiciones de extrema severidad, estuvo compuesto de “Dos medidas de cal cocida o apagada, en forma de polvo seco, mezcladas con una medida de una tufa volcánica (Duch Tarras) y ambas bien batidas en forma conjunta hasta lograr la consistencia de una pasta, usando tan poca agua como sea posible. Joseph Asphia y I.C. Johnson, a mediados de 1824, patentan el denominado cemento portland estableciendo que este debe ser fabricado combinando materiales calizos y arcillosos en proporciones determinadas, calentando el material en un horno, y pulverizando el producto hasta conseguir un polvo muy fino. Aunque existe una gran diferencia entre este material y los cementos modernos, su descubrimiento permite el creciente desarrollo del concreto.
- 5. 4 Alrededor de 1892, el francés Ferel establece los primeros principios modernos para el proporcionamiento de mezclas de mortero o concreto. Desarrolla interrelaciones entre las cantidades de cemento, aire y agua, y define inicialmente el papel de los poros en la mezcla de concreto. Sin embargo, no llega a establecer claramente las interrelaciones en la mezcla de concreto como un todo, tal como ellas han sido aplicadas en años posteriores. DE 1900 AL 1940 En 1907, los norteamericanos Fuller y Thompson publican “Law of Proportioning Concrete”, basados en sus investigaciones en relación con el concreto a ser empleado por la Comisión del Acueducto de la ciudad de Nueva York” En este trabajo el énfasis está en la densidad del concreto y en el cómo lograrla aplicando la conocida “Curva de Fuller” para graduar el agregado a máxima densidad. Aunque en la actualidad este concepto ha perdido significación en el diseño de mezclas de concreto, algunos ingenieros siguen empleándolo en mezclas en las que las fricciones entre partículas pueden ser de alguna importancia. Estos trabajos introducen un método de diseño que se basa en la granulometría del agregado, permitiendo seleccionar las proporciones para obtener concretos de máxima densidad. La experiencia demostró que las mezclas seleccionadas empleando este método tendrían a ser ásperas y poco trabajables y requerían compactación vigorosa. Duff Abrams, en 1918 como conclusión de un programa de investigaciones realizando en el Lewis Institute de la ciudad de Chicago, desarrolla la primera teoría coherente sobre el proporcionamiento de mezclas de concreto al demostrar, para las resistencias en compresión de esa época, la interdependencia entre la resistencia y el volumen de agua por unidad de volumen de cemento en el concreto. Abrams desarrolla un procedimiento para el proporcionamiento de mezclas de concreto, el cual es detallado en el boletín 1 del Structural Materials Research
- 6. 5 Laboratory del Lewis Institute. Este estudio de nacimiento a la conocida Ley de la relación agua cemento o Ley de Abrams. En 1923, el norteamericano Bilkey plantea las primeras observaciones a la Ley de Abrams y sostiene que el agregado no es un material inerte de relleno, como aducen algunos de los seguidores de Abrams, sino que desempeña un papel importante en el comportamiento del concreto. Será necesario llegar a la década del 60 para aceptar oficialmente la validez de su teoría. Por la misma época de Abrams, los norteamericanos Edwards y Young estudian la significación del área superficial del agregado como medida de la granulometría y de los requisitos de cemento y agua de un concreto. En este campo Edwards desarrolla curvas que relacionan la resistencia con el volumen del cemento expresado este último en libras con pie cuadrado de área superficial del agregado. Young, en relación con la construcción de estructuras hidráulicas en Ontario, aplica la idea de la relación agua cemento de Abrams, per determina el volumen del agregado sobre la base del área superficial y no del módulo de fineza. Talbot en 1921, y el conjuntamente con Richart en 1923, introducen la teoría de la relación vacíos cemento, como una nueva aproximación al enunciado de una teoría, comprensible de las mezclas de concreto. En un trabajo conjunto publicado en 1923 en el Boletín 137 de la Universidad de Illinois y Richard Indican procedimientos para mezclas de concreto para diferentes densidades y resistencias cuando los vacíos del mortero, preparado con cemento y agregado finos dados han sido determinados por ensayos de laboratorio. Indican que se ha encontrado conveniente emplear el volumen absoluto de los ingredientes en términos de un volumen unitario del concreto en obra, y para este propósito el peso específico de los materiales debe ser conocido. En el mismo trabajo señalan que desde que el término consistencia del concreto pueden ser considerado muy indefinido la tabla de flujo y el ensay de asentamiento fueron empleados para dar alguna medida de la movilidad y Trabajabilidad del concreto.
- 7. 6 Siempre en el mismo trabajo, cuya importancia debe destacarse Talbot y Richart introducen el concepto del coeficiente b/bo para relacionar el volumen de concreto y determinar la cantidad de agregado grueso a ser empleada por unidad de volumen de concreto, indicando que este procedimiento tiene la ventaja que el peso unitario seco y varillado del agregado grueso compensa automáticamente a las diferencias en granulometría, densidad de las partículas y perfil de las mismas. En 1926, el norteamericano Boloney propone una curva teórica modificada a ser utilizada en granulometría continua. En el tercio inferior de dicha curva esta contiene un volumen suficiente de partículas de tamaño menor como para asegurar una mezcla plástica o trabajable la cual puede ser compactada fácilmente por procedimientos anuales. Durante la década de los años 30, Weymouth desarrolló la teoría de que es necesario estudiar la estructura total y diferenciar entre los vacíos debidos a la pasta, los efectos limites en la superficie de las partículas de agregado, y la interferencia entre partículas, antes de tener un claro entendimiento sobre la influencia de la granulometría de los agregados en la pasta de cemento y en las diversas características de la pasta fresca. A partir de sus conclusiones Weymouth presentó procedimientos para determinar buenas granulometrías del agregado fino a partir de unas una gráfica mortero vacío e igualmente estableció criterios para determinar la relación agua cemento para una consistencia deseada en aquellos casos en que la interferencia entre partículas debido al agregado grueso no es un factor. En 1938 estudios realizados por diversos laboratorios de los Estados Unidos llevaron a la conclusión de que la incorporación voluntaria de aire a las mezclas, en forma de burbujas de muy pequeño diámetro, mejora significativamente la durabilidad del concreto frente a los procesos de congelación y deshielo. El descubrimiento parta de la aceptación del hecho que el mejor comportamiento, durabilidad y Trabajabilidad que presentan concretos con cementos de ciertas fabricas era debido a la edición de pequeños porcentajes de sustancias ajenas al cemento.
- 8. 7 Su ventaja era debida a la incorporación de millones de pequeñas burbujas de aire en el concreto. El valor del aire incorporado sobre la durabilidad del concreto en climas de baja temperatura fue confirmado por ensayos de explosión del concreto a condiciones severas de baja temperatura y acciones de sales descongelantes. El conocimiento de las propiedades del aire incorporado y de su efecto sobre las del concreto introdujo cambios notables en los procedimientos de su proporcionamiento de las mezclas. LOS ULTIMOS 50 AÑOS En 1942 el argentino García Balado propone un método bastante practico para el diseño de mezclas, El francés Vallete presenta interrelaciones entre la pasta y la granulometría del agregado. El ruso Mironov trabaja en diseños con agregado integral. Otros investigadores, en diversos países incorporan conceptos sobre el papel del agregad, el empleo de puzolanas, y la incorporación de aditivos a las mezclas. Henry Kennedy presenta un método de proporcionamiento basado en la relación agua cemento y el módulo de fineza de la combinación de agregados para llegar a una adecuada proporción de las partículas de agregado fino y grueso. Posteriormente W.F.Kellerman, después de cuidadosas investigaciones encuentra que para un contenido de cemento dado y una arena determinada deberá emplearse una relación b/bo con cambios en el contenido de cemento y la granulometría de la arena, revelando por estos ensayos conjuntamente con los principios establecidos por Lyse en 1932, que para una combinación dada de materiales y una consistencia determinada, la cantidad total de agua por unidad de volumen del concreto es constante, independientemente del contenido de cemento, lo que hace posible simplificar considerablemente el diseño de mezclas de contenido variable de cemento En 1944 el American Concrete Institute aprueba y publica “Recommended Practice for the desing of concrete mixed” (ACI 613-44). Esta recomendación incluye un conjunto de pasos para el diseño de mezclas de concreto por el método de los volúmenes absolutos, basándose en la selección de la relación agua-cemento, en
- 9. 8 la resistencia deseada, y en las condiciones de servicio. Una nota de pie de página en esta recomendación indicaba “cuando el contenido de aire es apreciable, como en los casos en que se emplea agentes incorporadores de aire, debe efectuarse una adecuada compensación considerando el aire como reemplazando a un volumen similar de arena. En 1952 se utiliza por primera vez cenizas, provenientes de la combustión del carbón como material de reemplazo de una parte del cemento, con la finalidad de reducir la velocidad de generación del calor en estructura masivas. Más tarde se descubrirá su importancia como agentes formadores de gel para reducir los poros capilares. En 1954 el American Concrete Institute, a través de su comité 613, estudia y reemplaza a la recomendación del año 1944. La nueva incluye procedimientos para el diseño directo de concretos con y si aire acondicionado e igualmente reemplaza el procedimiento de seleccionar el porcentaje de agregado fino sobre la base de una variedad de factores por el de emplear el coeficiente b/bo para determinar la cantidad de agregado grueso por unidad de volumen de concreto. En este procedimiento se toma en consideración la angularidad y contenido de vacíos del agregado grueso en el peso unitario seco varillado del volumen del agregado, y el peso del agregado grueso en la unidad cubica del concreto es calculado multiplicando el factor b/bo por el peso unitario seco varillado. Sin embargo, es discutible la apreciación de considerar constante la cantidad de agregado grueso para diferentes contenidos de cemento, asentamientos, y concretos con y sin aire incorporado. En la década de los 60, el grupo presidido por Stanton Walker presenta una aproximación poco complicada, basada fundamentalmente en la experiencia para llegar a las proporciones de la mezcla. El método propuesto implica la selección del porcentaje de agregado fino en el agregado total a partir de una tabla empírica basada en el contenido de cemento y el tamaño máximo del agregado. Por la misma época los investigadores Golbeak y Gray desarrollan detallados procedimientos de proporcionamiento de mezclas basados en la relación b/bo para
- 10. 9 determinar la cantidad de agregado grueso, empleando tabla para calcular el contenido de agua por metro cubico para una consistencia dada, el tamaño del agregado y la angularidad del mismo, y el contenido de cemento requerido basándose en la resistencia necesaria. En 1963, el investigador norteamericano Gilkey, que ya en 1923 había formulado serias observaciones a la denominada Ley de Abrams, propone una versión ampliamente modificada de dicha ley, propuesta que descansa en sus estudios de 1923 y en las investigaciones de Walker, Bloem y Gaynor en la universidad de Maryland. Su teoría sostiene que no solo debe darse importancia a la relación agua cemento agregado, y a la granulometría, dureza, resistencia, perfil, textura superficial y tamaño máximo del agregado empleado. En los años terminales de la década de los 60 los estudios son continuados por numerosos investigadores de diferentes países, mereciéndose mencionar los trabajos realizados por Popovich con la teoría de la influencia del tamaño máximo del agregado y por Powers con sus estudios sobre la importancia de la relación gel- espacio, no menos importantes son los trabajos sobre la resistencia por adherencia pasta agregado. A partir de 1963 se desarrollan concretos en los cuales se adiciona fibra de acero relativamente fina y corta, o alternativamente de vidrio. Su amplio desarrollo se basa en su incremento en la resistencia a la tensión, su control del agrietamiento, su incremento en la resistencia al impacto, así como su aumento en las resistencias a la fatiga y abrasión. Este descubrimiento obliga a desarrollar nuevas técnicas de diseño de las mezclas También comienza en esta década un desarrollo de los aditivos como modificadores de las propiedades del concreto, acelerantes y plastificantes, incorporadores de aire, retardadores y aceleradores de fragua. Impermeabilizantes, inhibidores de la corrosión, fungicidas, etc., crean nuevos desafíos a los ingenieros y los diseños de mezclas entran a una etapa experimental a nivel de trabajos de laboratorio. Ya en esta época no se acepta un diseño que previamente no haya sido analizado y experimentado a nivel de laboratorio y/o obra.
- 11. 10 A partir de 1965 se desarrollan los cementos combinados, los concretos livianos y pesados; los concretos para centrales nucleares; los denominados concretos polímeros; los concretos con resistencia por encima de los 700 kg/cm2, los concretos arquitectónicos y coloreados, etc. Todos estos tipos de concretos obligan a modificaciones en los criterios que regían los diseños de mezclas, orientándose preferentemente a la experimentación en laboratorio. En la década de los 70, los investigadores Walker, Bloem y Gaynor en Maryland y Cordon y Gillespie en otros laboratorios al investigar los factores que afectan la resistencia del concreto confirman que, en las mezclas medias y ricas, la resistencia es más alta para los menores tamaños máximos del agregado grueso siempre que se mantenga constante la relación agua cemento. Estos trabajos eliminan definitivamente el error de quienes sostenían que los concretos más fuertes deberían obtenerse con el empleo del agregado grueso más grande posible desde que los concretos con agregado grande requerían menos agua y por lo tanto tendrían una menor relación agua cemento para un contenido de cemento dado. Las investigaciones de Walker han llevado a la conclusión de que en los diseños de mescla debe considerarse que para propósitos de resistencia del tamaño máximo optimo del agregado grueso disminuye conforma el contenido de cemento, y por tanto el de pasta, se incrementa. Hoy en los diseños de mezclas se considera que para mezclas ricas de alta resistencia los agregados de ½” a 3/8” puede ser el más conveniente, en tanto que en mezclas de resistencia media es más conveniente emplear agregado grueso de ¾” a 1 ½”, y para mezclas pobres los mejores resultados se obtendrían con tamaños máximos mayores. En la década de los 70, el American Concrete Institute revisa la recomendación ACI 613-54 y la reemplaza por la ACI 211-71 “Recommended Practice for selecting proportions por normal weight concrete”, la cual ha experimentado diversas modificaciones hasta el año 1985. Esta norma toma en consideración muchos de los conceptos expuestos. En la actualidad el Comité 211 ha preparado recomendaciones para concretos normales, sin asentamiento, livianos, pesados y ciclópeos. Revisiones continuas de estas recomendaciones se realizan para
- 12. 11 proporcionar estándar que respondan a las diversas y crecientes necesidades de la industria de la construcción. Entre 1965 y 1991 ya se hace difícil seguir la historia de la evolución del proceso de diseño de mezclas. Muchos son los protagonistas y países implicados. Algo hay en común obtener un concreto que cumpla con todos los requisitos establecidos por el ingeniero proyectista, que ofrezca al usuario el máximo de seguridad, y que tenga el menor costo compatible con las exigencias anteriores.
- 13. 12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Riva. E. (1992). Tecnología del concreto - Diseño de Mezclas - https://civilarq.com/libro/diseno-de-mezclas-enrique-rivva-lopez/