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UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 1 AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios todo lo que me ha brindado en la vida. A todos y cada uno de mi familia que siempre han estado conmigo ayudándome y ser el motivo principal de mi superación y culminación de este proyecto de vida. A mis padres: Juan Sánchez y Juana Gutiérrez. A mis hermanos: Martha, Bertha y Miguel. A mis sobrinos: Miguel, Michelle y Fernanda. A Magda: mi compañera. A mis hijos: Eric, Salvador y Edson. A TODOS USTEDES: GRACIAS Al ingeniero Manuel Martínez por su interés y paciencia que demostró para la realización y culminación de mi tesis y ser uno de los principales personajes que con su motivación y forma de ser me alentó para terminar mi carrera en esta institución. GRACIAS A los ingenieros Saavedra, chora y el personal del laboratorio y a todos los involucrados en este trabajo de tesis por su ayuda, interés y esmero ofrecido para su realización. POR SU COLABORACIÓN: GRACIAS Dedico especialmente este proyecto a una persona que siempre creyó en mí, que fue y seguirá siendo mi mejor maestro en la vida. Por eso y todo lo que me has dado. GRACIAS PAPA Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 2 Objetivo Realizar un ejercicio académico en el que se vea como afecta el fuego a las estructuras de concreto. Para motivar la investigación entre los estudiantes de la carrera de ingeniería civil de la facultad de estudios superiores Aragón. Comparando los resultados obtenidos en el laboratorio de construcción de la escuela con las normas y los estándares existentes. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 3 INDICE 1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………5 1.1. HISTORIA DEL CEMENTO…………………………………………………………………………….6 2. MATERIALES UTILIZADOS EN LA ELABORACIÓN DEL . CONCRETO….………………………………………………………………………………………………………9 2.1. CEMENTO PORTLAND.…………………………………………… ……………………………………9 2.1.1. PROCESO DE ELABORACIÓN DEL CONCRETO …………………………………….9 2.2. TIPOS DE CEMENTO PORTLAND………………………………………………………………12 2.3. LOS AGREGADOS ………………………………………….…………………………………………….14 2.3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS………………………………………………….14 2.3.2. PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS…………………………19 2.3.3. SUSTANCIAS PERJUDICIALES EN LOS AGREGADOS……….………….24 2.3.4. ESPECIFICACIONES DE LOS AGREGADOS ………….……………….………….25 2.4. EL AGUA…………………………………………………………………………………………………………….27 2.4.1. NORMATIVIDAD…………………………………………………………………………………..………28 3. CONSIDERACIONES DE LOS CONCRETOS EXPUESTOS AL FUEGO………………………………………………………………………………………………………………….29 3.1. ¿QUE ES EL FUEGO? …………………………………………………………………………………….29 3.2. CLASIFICACIÓN DE INCENDIOS………………………………………………………………31 3.3. RESISTENCIA AL FUEGO………………………………………………………………………………32 3.4. PROTECCIÓN PASIVA…………………………………………………………………………………….32 3.5. MEJORA DE LA PROTECCIÓN DEL FUEGO ………………………………………..33 3.6. PROTECCIÓN PASIVA PARA LOS RECUBRIMIENTOS…….…………………34 3.7. EXPLOSIÓN DE ASTILLAS ……………………………………………………………………….34 3.7.1. MECANISMOS PARA LA EXPLOSIÓN DE ASTILLAS…………………………35 3.7.2. LA PREVENCIÓN DEL ASTILLAMIENTO EXPLOSIVO……………………… 35 3.7.3. INCENDIOS Y MATERIALES DE CONCRETO ………………………………………36 3.8. CRITERIOS PARA BARRERAS TÉRMICAS……..………………………………………37 4. PROPIEDADES DEL CONCRETO …………………………………………………………….…39 4.1. DEFINICIÓN..…………………………………………………………………………………………………39 4.1.2. CONCRETO CONVENCIONAL………………………………………………………………………39 4.2. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO..……………………………………………………39 4.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL CONCRETO……………….39 4.3.1. GENERALIDADES….…………………………………………………………………………………………39 4.4. PROPIEDADES FÍSICAS DEL CONCRETO EN . ESTADO FRESCO………………………………………………………………………………………………40 4.4.1. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO FRESCO ……………………………………40 Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 4 4.4.2. CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO FRESCO ………………………………41 4.5. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE CONCRETO EN ESTADO ENDURECIDO……………………………………………………………………………….46 4.5.1. PROPIEDADES FÍSICAS DEL CONCRETO EN ESTADO ENDURECIDO …………………………………………………………………………………………………46 4.5.2. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO EN ESTADO ENDURECIDO……………………………………………………………………………….46 4.6. PRUEBAS DESTRUCTIVAS Y NO DESTRUCTIVAS EN EL CONCRETO ENDURECIDO …………………………………………………………………48 4.7. MODOS DE FALLA Y CARACTERÍSTICAS ESFUERZO-DEFORMACIÓN BAJO COMPRESIÓN AXIAL………….…49 4.8. CURVA ESFUERZO-DEFORMACIÓN ………….…………………………………………50 4.9. CILINDROS DE CONCRETO BAJO CONDICIONES DE ESTADO FRESCO Y ENDURECIDO……………………………………………………………………………51 5. PRUEBAS DE LABORATORIO ………………………………………………………………….53 5.1. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA DE ESTUDIO …………………………………53 5.1.1. DOSIFICACIÓN DE LAS MEZCLAS DE PRUEBA…………………………………53 5.2. DOSIFICACIÓN ……………………………………………………………………………………………54 5.2.1. ELABORACIÓN Y CURADO DE LOS ESPECÍMENES………………………….65 5.2.2. PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES…………………………………………………….66 5.2.3. ESPECÍMENES …….…………………………………………………………………………………………67 5.2.4. COMPACTACIÓN DE LOS ESPECÍMENES………………………………………………70 5.2.5. CABECEO DE LOS CILINDROS………………………………………………………………….72 5.2.6. PROCEDIMIENTO PARA EL CABECEO CON AZUFRE…………………………74 5.2.7. ESPECÍMENES EXPUESTOS AL FUEGO……………..…………………………………75 6. PRUEBAS DE LOS ESPECÍMENES……………………………………………………………………79 CONCLUSIÓN ……………………………………………………………………………………………………………….80 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ………………………………………………………………………….81 GLOSARIO ………………………………………………………………………………………………………………………83 Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 5 1. INTRODUCCION Muchas veces nos hemos percatado de un incendio y de los daños que el fuego ha ocasionado a las construcciones, y mas aun cuando su magnitud es de importancia, se dice que esa construcción ya no tiene arreglo por el simple hecho de su apariencia, pero, no tenemos la seguridad de cuales son sus condiciones estructurales después que estuvo expuesto al fuego. Esta investigación estuvo enfocada a este tipo de eventos y se realizaron las pruebas que fueron posibles en los laboratorios de la escuela. El trabajo inicia con el procedimiento de fabricacióndel cemento, y los elementos que lo integran, sin profundizar en cuestiones químicas puesto que el interés es saber, como reacciona el concreto a grandes temperaturas. Por lo que solo se tocara de una manera somera los procedimientos de fabricación y tipos de cementos que se conocen en el mercado. En la actualidad existen varias pruebas que se le realizan al concreto, algunas de ellas destructivas y no destructivas; es importante aclarar que este proyecto se enfoco principalmente a las destructivas, esto sin restarle importancia a las no destructivas. Se realizaron todas las pruebas que fueron posibles con el equipo que cuenta la escuela y contando con la ayuda de los técnicos académicos para operar el equipo. Esta investigación se enfoco a este tipo de eventos pues creo que hay que dar mas importancia a las condiciones estructurales de una construcción después de un incendio, de ahí, la curiosidad de realizar las pruebas posibles para saber las condiciones que presenta un concreto después de que estuvo expuesto al fuego. Cabe mencionar que esta inquietud surgió a raíz de una plática que se llevo a cabo con unos compañeros y profesores en el aula de clases; en mi época de estudiante de la carrera de ingeniería civil. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 6 1.1. HISTORIA DEL CEMENTO BREVE CRONOLOGÍA DE LO QUE CONOCEMOS DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO Hacia el año 700 antes J.C. los etruscos utilizan mezclas de puzolana y cal para hacer un mortero. En el año 100 antes J.C. los romanos utilizaban mezclas de puzolana y cal para hacer hormigón de resistencias a compresión. Hasta el año 1750 D. C. se utilizan los morteros de cal y materiales puzolánicos (tierra de diatomeas, harina de ladrillos etc.). Entre 1750-1800 se investigan mezclas calcinadas de arcilla y caliza. Smeaton compara en el año 1756 el aspecto y dureza con la piedra de Portland al sur de Inglaterra. 40 años más tarde, Parker fábrica cemento natural aplicando el vocablo "cemento" (anteriormente se interpretaba como "caement" a toda sustancia capaz de mejorar las propiedades de otras). Vicat explica en 1818 de manera científica el comportamiento de estos "conglomerantes". En 1824, Aspdin patenta el cemento portland dándole este nombre por motivos comerciales, en razón de su color y dureza que le recuerdan a las piedras de Portland. Hasta la aparición del mortero hidráulico que auto endurecía, el mortero era preparado en un mortarium (sartén para mortero) por percusión y rotura, tal como se hace en la industria química y farmacéutica. Entre 1825-1872 aparecen las primeras fábricas de cemento en Inglaterra, Francia y Alemania. En el año 1880 se estudian las propiedades hidráulicas de la escoria de alto horno. En 1890 aparecen las primeras fábricas de cemento en España. Hoy en día el cemento es la cola o "conglomerante" más barato que se conoce. Mezclado adecuadamente con los áridos y el agua forma el hormigón, una roca amorfa artificial capaz de tomar las más variadas formas con unas prestaciones mecánicas a compresión muy importantes. Las resistencias a tracción pueden mejorarse con la utilización de armaduras (hormigón armado). Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 7 La palabra "hormigón" tiene su origen en el parecido a un bizcocho preparado con almendras, harina, leche y huevos. Las almendras estaban enteras y recordaban a los áridos gruesos incluidos en el mortero. Este bizcocho tenía el nombre de "formigò" del cual ha derivado el vocablo hormigón. Los vocablos francés "béton" y el alemán "beton" derivan del latín "bitumen/bituminis" que significa "lodo que se iba espesando". El vocablo inglés ""concrete"" también deriva del latín teniendo el significado de denso, compacto. El vocablo "clinker" da nombre al producto intermedio en la fabricación del cemento, principal componente de este último. Se trata del producto obtenido por calcinación a 1500ºC de una mezcla de caliza y arcilla. Este producto producía al deslizarse por los hornos rotatorios un ruido "clink, clink,..." del que toma el nombre onomatopéyico de "clinker". La palabra ""mortero"" viene del vocablo romano "mortarium" que significa sartén para mortero, dónde se preparaba por percusión el antiguo mortero romano. UNA COMPOSICIÓN TÍPICA DEL CLINKER ES: 64% en CaO (Óxido cálcico) 6% en Al2O3 (Óxido de aluminio) 20% en SiO2 (Dióxido de Silicio) 3% en Fe2O3 (Trióxido de Hierro) 7% Otros elementos Lo que falta para ajustar el 100% corresponde a otros cuerpos como la cal libre, el yeso, magnesia, etc. CEMENTO TRANSLUCIDO Estudiantes de Ingeniería Civil de la UAM Azcapotzalco han desarrollado una nueva generación de concretos para la industria de la construcción, los cuales permiten el paso de luz, conducen la electricidad, y son más ligeros y resistentes que los concretos disponibles en el mercado. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 8 Además del translúcido, los universitarios han creado un concreto igual en apariencia al tradicional, en color gris. Ambos son mucho más resistentes que cualquiera de los concretos que actualmente se comercializan. Los concretos tradicionales tienen una resistencia que va de los 250 a los 900 kg/cm2; en cambio el concreto traslucido, por ejemplo, puede alcanzar una resistencia de hasta 4500 kg/cm2 y el gris de 2500 kg/cm2. Por esta característica podría pensarse que los nuevos productos son sumamente pesados, pero no es así. El concreto translúcido tiene un peso volumétrico máximo de 2100 kg/m3 y el gris de 1950 kg/m3, cifras menores a los 2500 kg/m3, que es el peso de los concretos comerciales. Además, los productos desarrollados por Sosa y Galván presentan una ventaja más, pues tanto el concreto gris como el translúcido adquieren 90 por ciento de su resistencia final en menos de siete días, lo cual permitiría un ahorro significativo en la industria de la construcción, pues el tiempo para levantar una edificación disminuirá hasta un 60 por ciento. Otro de los resultados de la investigación realizada por los estudiantes ha permitido la creación de concretos (ya sean grises o translúcidos) capaces de conducir la energía eléctrica sin necesidad de cableado interno. Con ello, en un futuro se tendrán estructuras poli-cromáticas que generen diferentes efectos visuales, resistan a condiciones climáticas y físicas extremas, además de producir ahorros en la iluminación y en la calefacción de las construcciones. LA PREPARACIÓN El concreto convencional es resultado de la mezcla de cuatro elementos: agua, cemento, arena y grava; composición que los estudiantes modificaron para obtener las características de bajo peso y mayor resistencia. La preparación de los concretos no requiere equipo especial, se realiza con la maquinaria tradicional, posteriormente el concreto se vierte en moldes o cimbras, donde se compacta para lograr una buena colocación del material. Estos bloques de concreto son sometidos al proceso de curado también tradicional, igual al que se usa en obra, sin requerir de tratamientos térmicos o de laboratorio especiales. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 9 2. MATERIALES UTILIZADOS EN LA ELABORACION DEL CONCRETO 2.1. CEMENTO PORTLAND El cemento es un aglomerante que se presenta como un polvo muy fino de color gris claro o blanco, que endurece al reaccionar con agua y produce calor, dando como resultado un cuerpo sólido similar a la piedra. PRODUCCIÓN DEL CEMENTO LAS MATERIAS PRIMAS.- Para su uso y fabricación son: materiales Calcáreos.- El más común es la caliza (carbonatode calcio) que contiene algunas impurezas, principalmente arcilla. MATERIALES ARCILLOSOS.- El más usado es la arcilla, constituida por silicatos y aluminatos y en menos proporción óxidos de fierro y algunos otros minerales. CORRECTORES.- La composición química es muy importante para dar un cemento de calidad. Dependiendo de la composición de los materiales calcáreos y arcillosos puede existir la necesidad de complementarlos por medio de los correctores, estos pueden ser minerales de fierro y arena sílica. YESO.- (Sulfato de Calcio) Se añade en pequeñas cantidades en la molienda final para controlar el tiempo de fraguado y evitar el falso fraguado. También reduce la contracción por falso fraguado. 2.1.1. PROCESO DE ELABORACION DEL CONCRETO La producción creciente del concreto, el ingrediente más importante es el cemento y las exigencias más rigurosas de calidad, así como el encarecimiento de los combustibles, han ocasionado que las plantas cementeras requieran equipos eficientes y económicos. Un horno con capacidad inferior a las 2500 ton/día se considera poco económico. El antiguo proceso húmedo y aún otro proceso mas reciente de granulación de crudos, tienden a desaparecer por su consumo de combustible necesario para evaporar el agua añadida, que estos procesos requieren. Presentamos el esquema de una planta moderna, entendiendo que pueden existir variaciones en los equipos que aquí presentamos. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 10 En esta planta las materias primas son: la caliza y la arcilla, como éstas no tiene la composición necesaria para dar la calidad requerida, se les añade como correctores, minerales de fierro y arena sílica. LA ALIZA Se extrae de una cantera cerca de la planta cementera, donde se extrae por medio de explosivos y se lleva a una planta de quebrado en las proximidades de la cantera en la que se reduce a un tamaño máximo de 2 cm. Es enviada a la cementera por lo regular góndola de ferrocarril o camión. LA ARCILLA Se obtiene también cerca de la cementera desgarrándola con arado. Es llevada a la planta en camiones de volteo y alimenta una quebradora de impacto, en la cual mediante una alimentación de aire caliente, al mismo tiempo que se muele se le quita la mayor parte de la humedad. LOS CORRECTORES La arena sílica, el mineral de fierro, el yeso y la puzolana llegan en camión procedentes de bancos o de plantas de molienda. Las dos primeras con granulometría similar a la de la arena, la del yeso más fina, la puzolana con una finura mayor que la del cemento. Cada uno de estos materiales es almacenado en almacenes individuales techados. DOSIFICACIÓN Las materias primas y los correctores de crudo son dosificados por bandas dosificadoras y ya juntos son molidos (molino de bolas), hasta lograr un polvo fino, que recibe el nombre de "Crudo", este se almacena en un silo de donde por sistema neumático, alimenta a la torre de secado y precalentamiento. SECADO Y PRECALENTAMIENTO Está formado por grupos de ciclones escalonados que aprovechan los gases calientes que salen del horno para secar y precalentar el crudo, este ya caliente, alimenta el horno. COCCIÓN El horno es un gran tubo que gira lentamente, tiene una pequeña inclinación y está recubierto en su interior con material refractario. Por el extremo alto entra el crudo, en el bajo está el fuego que le da a esta zona una temperatura de 1400°C. El material debido al giro y la pendiente va avanzando hacia la parte baja al mismo tiempo que se aglomera en forma de esferitas de unos 2 cm. Durante este transito, Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 11 hasta llegar a la zona más caliente, el material sufre transformaciones químicas que lo convierten en "clinker”. Sale por la parte baja hacia el enfriador. ENFRIADO El enfriador es una banda transportadora de placas metálicas perforadas, en la que el Clinker forma una capa de 20 a 30 cm. A través de las perforaciones y del clinker se forza una corriente de aire que lo enfría. El aire que enfría la parte menos caliente, después de ser despolvado, va a la atmósfera. El clinker se guarda en grandes almacenes de donde será tomado para la siguiente etapa. FLUJO DE AIRE Y GASES El aire que enfría el clinker se precalienta y pasa a alimentar el fuego del horno, los gases calientes de este pasan a secar y precalentar el crudo. Con este sistema se aprovecha el calor eficientemente, lo que representa un ahorro de combustible. Los gases fríos pasan a un humidificador que les proporciona humedad, con lo que los sólidos arrastrados se aglomeran y son susceptibles de ionizarse en el filtro electro-estático al cual pasan y en éste se pegan a las placas donde se desprenden mediante vibración y golpeteo. El aire limpio de polvo sale de la atmósfera. DOSIFICACIÓN DE LA MOLIENDA El clinker y el yeso y la puzolana, cuando se fabrica cemento puzolánico, son dosificados y pasan a los molinos. MOLIENDA Estos materiales juntos son molidos en molinos de bolas hasta lograr una finura superior a 3000 cm2/g. ahora nuestro material ya es el cemento. SILOS El cemento, caliente por efecto de la molienda, se almacena en silos, donde se enfría y reposa hasta que es envasado o embarcado a granel. ENVASE Y EMBARQUE El envase se hace en bolsas de papel, con un peso de 50 kg y por medio de bandas transportadoras es embarcado en camiones- plataformas o en carros cerrados de ferrocarril. El cemento a granel se embarca en carros de ferrocarril o en camiones especiales, que lo descargan a silos por sistemas neumáticos. Por mar se embarca a granel en barcos adecuados que requieren de instalaciones especiales en los puertos para su carga y descarga. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 12 Los almacenes intermedios tienen el papel de desligar la operación de una etapa con la siguiente, de manera que cuando se para, no obliga a parar a toda la planta. Algunos de ellos también homogenizan al material para dar al producto final una calidad más uniforme. 2.2. TIPOS DE CEMENTO PORTLAND En la industria de la construcción los cementos que se usan son los llamados Cementos Pórtland. Existen otros que se usan en casos muy especiales como los refractarios. En México por la herencia de la tecnología americana, se usan los tipos mostrados a continuación: TIPOS DE CEMENTO PORTLAND 1). TIPO I (NORMAL) 2). TIPO II (MODIFICADO) 3). TI PO III (RESISTENCIA RAPIDA) 4). TIPO IV (BAJO CALOR HIDRATACION) 5). TIPO V (ALTA RESISTENCIA A SULFATOS) 6). BLANCO 7). PUZOLANA 8). ESCORIA ALTO HORNO LOS PRINCIPALES COMPUESTOS QUE CONSTITUYEN A ESTOS CEMENTOS SON: N O M B R E FORMA QUIMICA ABREVIATURA Silicato Tricálcico 3CaO Si0₂ C2S Silicato Dicálcico 2CaO Si0₂ C₂S Aluminato Tricálcico 3CaO A₂10₃ C₃A Ferro Aluminato Tetra-cálcico 4CaO A1₂0₃Fe₂O₃ ₃ C₄AF Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 13 La "Portland Cement Association" (PCA) Da la siguiente composición química en porcentaje para los cinco tipos. TIPO NOMBRE C₃S C₂S C₃A C₄AF I Normal 50 24 11 8 II Modificado 42 33 5 13 III Resistencia Rápida 60 13 9 8 IV Bajo calor 26 50 5 12 V Resistencia a los sulfatos 40 40 4 9 Lo que falta para ajustar el 100% corresponde a otros cuerpos como la cal libre, el yeso, magnesia, etc. No todos los cementos tienen estas composiciones, pero todos deben cumplir con las normas correspondientes, estas son: Norma oficial mexicana NOM-C1 Cementos Portland tipos I a V Norma oficial mexicanaNOM-C2 Cementos Portland puzolánicos Norma oficial mexicana NOM-C175 Cementos Portland de escorias EL CEMENTO BLANCO ESTA CONSIDERADO COMO TIPO I Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 14 2.3. LOS AGREGADOS Los agregados pétreos que componen un concreto hidráulico, son aquellos materiales que son obtenidos de depósitos naturales, ya sea en forma de arena o roca, los cuales son triturados y cribados parcialmente o totalmente con la finalidad de obtener lo que llamamos arena y grava. Estos materiales son de gran importancia para la elaboración de concretos. No obstante que los agregados pétreos representan la mayor parte del volumen del concreto (aproximadamente del 60 al 80%) el importante papel que este desempeña como ingrediente principal, es a menudo subestimado, a causa de su bajo costo, en relación con el cemento. Originalmente, los agregados eran considerados como un material inerte esparcido en la pasta de cemento solo por razones económicas, siendo en realidad no es un material inerte, sino que sus propiedades físicas, térmicas y químicas influyen bastante en el comportamiento del concreto. Así tenemos que, la durabilidad, economía, trabajabilidad, permeabilidad, propiedades térmicas, peso volumétrico, resistencia y elasticidad, pueden ser adversamente afectados o al contrario, mejorados con solo cambiar la calidad y granulometría de los agregados. En si los agregados pueden cambiar totalmente las características físicas y mecánicas de una mezcla. 2.3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS Los agregados se pueden clasificar de acuerdo a las siguientes características: A) Por su origen B) Por su peso C) Por su tamaño D) Por su forma y textura A) Clasificación por su origen. Las rocas se dividen en tres grupos principales que son los siguientes: • Rocas ígneas • Rocas sedimentarias • Rocas metamórficas Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 15 El origen de los agregados y su composición mineralógica son importantes, principalmente en los estudios preliminares para definir la posibilidad de reacciones dañinas con los componentes nocivos del cemento. Aún cuando esto no es común, no debe descartarse esta posibilidad, sobre todo si no se cuenta con estudios o experiencias previas que aseguren la ausencia de efectos detrimentes al concreto. Cuadro de clasificación de los agregados POR EL ORIGEN DE LAS ROCAS Una primera razón para establecer diferencia entre los agregados, se refiere distinto origen de las rocas que los constituyen. La definición del originen y la composición de las rocas es un asunto útil y necesario, porque permite inferir ciertos aspectos relacionados con el comportamiento de las mismas al ser utilizadas como agregados en el concreto. Por su génesis geológica, las rocas se dividen en ígneas, sedimentarias y a mórficas, las que a su vez se subdividen y clasifican en diversos tipos de acuerdo con sus características texturales y mineralógicas. Por el origen de las Ígneos rocas Sedimentarios Metamórficos Clasificación de los Por el modo de la Naturales agregados Fragmentación Manufacturados Mixtos Por el tamaño de las Agregado fino (arena) Partículas Agregado grueso (grava) Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 16 Las rocas ígneas, o endógenas, proceden de la solidificación por enfriamiento de la materia fundida (magma) y pueden dividirse en dos grupos: las rocas intrusivas o plutónicas, que provienen del enfriamiento lento que ocurre inmediatamente abajo de la superficie terrestre, y las extrusivas, o volcánicas, que se producen por el enfriamiento rápido del material que es expulsado en las erupciones volcánicas (derrames lávicos y eventos piro clásticos). Las rocas ígneas se clasifican por su textura, estructura y composición mineralógica y química, de igual modo que las otras clases de rocas. Las rocas sedimentarias, como su nombre lo indica, son el resultado del proceso de transporte, depósito y eventual litificación, sobre la corteza terrestre, de los productos de intemperismo y erosión de otras rocas preexistes; proceso que frecuentemente se produce bajo el agua, pero también puede ocurrir en el ambiente atmosférico. Su grado de consolidación puede ser muy variable desde un estado muy compacto en antiguos sedimentos asta un estado prácticamente sin consolidar en sedimentos cuyo proceso es relativamente reciente o no existen condiciones favorables para su consolidación. De acuerdo con el tamaño de sus partículas, estos sedimentos consolidados se identifican como gravas, arenas, limos y arcillas. Las rocas metamórficas se forman como consecuencia de procesos que involucran altas presiones y temperaturas y de fuerzas que se generan en la Corteza terrestre cuyos efectos pueden manifestarse sobre rocas ígneas, sedimentarias e inclusive metamórficas previamente formadas. Tales efectos se traducen en alteraciones de la textura, estructura y composición mineralógica, e incluso química, de las rocas originales. Las rocas metamórficas resultantes pueden ser de estructura masiva, pero con mayor frecuencia presentan estructura laminar, o foliada, de manera que al desintegrarse pueden producir fragmentos con tendencia tabular, de acuerdo con su grado de foliación. Las rocas en general se hallan constituidas por minerales cuyas características permiten reconocerlos y cuantificarlos. Aunque hay algunos casos de rocas constituidas por un solo mineral la mayoría se hallan compuestas por varios minerales. A medida que la roca se fragmenta y sus partículas se reducen de tamaño, resulta más difícil identificarla. Así, en los fragmentos con tamaño de grava se conservan la variedad de minerales, la textura y la estructura de la roca original; en las partículas de arena de mayor tamaño todavía es posible que se conserven e identifiquen las características mineralógicas y estructurales de la roca de origen, pero en los granos de arena de menor tamaño solamente resulta factible la identificación de los minerales. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 17 Definir el origen geológico y la composici6n minera lógica de las rocas que integran los agregados, y para hacer una estimación preliminar de su calidad físico-química, se acostumbra realizar el examen petrográfico (NOM C-265/ASTM C 295) aplicando una nomenclatura normalizada como la ASTM C 294. Con base en ésta, se formaron las tablas siguientes; en la primera .incluye una relación de los principales minerales que de ordinario se hallan presentes en las rocas que son fuente de agregados de peso normal, y en la segunda se hace un resumen de la composición mineralógica y otras características comunes de dichas rocas. UNA CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS AGREGADOS LA PODEMOS MANEJAR COMO SIGUE: Clasificación general de los agregados. CLASIFICACIÓN POR SU PESOEsta forma de clasificar a los agregados, tiene mucha utilidad, principalmente para conocer o diseñar el peso de las estructuras de concreto. Así los agregados quedan divididos en los siguientes tres grupos: ligeros, normales y pesados. El control de estas características es importante cuando el peso de la estructura influye en su diseño o en su comportamiento. Abanicos De rio Terrazas Naturales Planicie de inundación Deposito lacustre Agregados otros Dunas Depósitos Triturados Manufacturados Artificiales Especiales Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 18 CLASIFICACIÓN POR SU TAMAÑO En forma general, los agregados se clasifican en grueso y fino, para lo cual ha quedado establecido como norma que el limite que divide a estas dos fracciones, en cuanto a su tamaño de partículas, es el de la malla No. 4, es decir que el agregado grueso esta formado por las partículas retenidas en dicha malla, hasta el tamaño máximo de partícula que se haya escogido ¾" y 1½,', sin tocar el tema de concretos especiales o ciclópeos. A su vez, el agregado fino se compone del material que pasa la malla No. 4 (4.76 mm) hasta las partículas más finas malla No. 100 (O.15mm) La importancia de clasificar los agregados en grueso y fino, es primordialmente para lograr, en la práctica, una combinación adecuada de estas dos fracciones, asegurando así una composición granulométrica correcta y suficientemente uniforme para obtener el producto final deseado. CLASIFICACIÓN POR SU FORMA Y ESTRUCTURA Las características de forma y textura tienen también efectos importantes en el concreto, sobre todo en cuanto a su compactación y su trabajabilidad. Existen varias clasificaciones para la forma de la partícula como por ejemplo las siguientes: • Redondeada • Irregular • Lajeada • Angular • Alongada OTRO EJEMPLO ES EL SIGUIENTE • Muy redondeada • Redonda • Subredonda • Subangular • Angular A LA VEZ LA TEXTURA PUEDE CLASIFICARSE COMO SIGUE: • Vítrea • Lisa • Granular • Áspera • Cristalina • Porosa Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 19 La forma y textura, pueden afectar la trabajabilidad del concreto, por lo cual también podrán afectar la demanda de agua y del cemento y, por consiguiente a la resistencia final. La textura afecta también la adherencia que se desarrolla entre la partícula y la pasta de cemento, por lo cual, esta nuevamente influenciado a la resistencia del concreto. Estas características se deberán tomar en cuenta para los estudios iníciales pero, una vez definidos los agregados, no es factible tratar de controlar sus variaciones, más que en casos muy contados, como sería por ejemplo, el empleo de equipo especial de trituración para mejorar la forma de la partícula. 2.3.2. PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS A) Composición granulométrica B) Peso específico, Absorción, Peso volumétrico C) Sanidad D) Resistencia E) Resistencia al desgaste F) Reacción álcali agregado G) Forma y textura superficial de las partículas A) COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA La composición granulométrica, es la distribución de tamaños de partículas, determinada en laboratorio por medio de una separación mecánica, efectuada con mallas reglamentarias. Los valores que se obtienen mediante esta prueba según la norma mexicana (NMX - C - 77 - ONNCCE - 1997), análisis granulométrico-método de prueba, expresados como porcentajes retenidos, o que pasen las diversas mallas, se tabulan y se grafican para su interpretación. La granulometría de los agregados juega un papel de máxima importancia en las características del concreto. Las variaciones en graduación de los agregados, alteran a una serie muy compleja de factores, empezando por el área específica del material pétreo, que a su vez afecta a la trabajabilidad del concreto y la demanda de agua y cemento. Como resultado, también se afecta la compactación de la masa de concreto y otras características tales como el acabado, la segregación y el sangrado. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 20 La Norma Mexicana, señala límites de graduación óptima para los agregados grueso y fino. Aún cuando no siempre es posible ajustarse a ellos, constituye un criterio definido a las tendencias que deben buscarse para obtener el mejor comportamiento de los agregados. B) PESO ESPECÍFICO, ABSORCIÓN Y PESO VOLUMÉTRICO Estas características son importantes para los estudios iníciales del concreto, ya que todos estos valores intervienen en el diseño de los proporcionamientos para las resistencias especificadas de proyecto. Además el peso especifico, da una buena idea de la composición física de las partículas individuales, que a su vez proporciona datos para clasificar al agregado como ligero o pesado, de acuerdo a la norma mexicana (NMX - C - 072 - ONNCCE - 1997) Y para tener un indicio inicial sobre resistencia potencial. El peso volumétrico, también califica al agregado en características semejantes, para este caso se refiere al conjunto de partículas, en vez de las partículas individuales. En la (NMX - C - 073 -ONNCCE -2004), Se contempla la determinación del peso unitario de los agregados. Por su parte, la absorción proporciona idea de la porosidad del material, que estará influenciado a su vez, de características tales como su densidad aparente, textura, demanda de agua y resistencia estructural C) SANIDAD Esta es la capacidad del agregado para resistir cambios excesivos en volumen, como consecuencia de los cambios en condiciones físicas, estos últimos causados por variaciones ambientales tales como congelamiento y deshielo, cambios térmicos y estados de saturación y secado. Existen pruebas de laboratorio (NMX - C - 075 - ONNCCE - 1997) determinación de la sanidad de los agregados por medio de sulfato de sodio o del sulfato de magnesio que pretenden reproducir en forma aproximada esta condición y por consiguiente, dan valores relativos que clasifican al agregado, en cuanto a su resistencia contra estos agentes. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 21 D) RESISTENCIA Es clara la importancia que tiene la resistencia de los agregados puesto que de ella dependerá la resistencia al concreto. Se puede considerar dos tipos principales de resistencia en las partículas que forman el agregado que son: Resistencia a la compresión y resistencia al impacto (tenacidad). Existen métodos para valuar ambas resistencias y, aunque principalmente se utilizan para los estudios iniciales.de aceptación, también se emplean para control de calidad de los agregados, ya que es muy factible que se presenten variaciones de estas características, aún en un mismo banco de material. E) RESISTENCIA AL DESGASTE La resistencia al desgaste de un agregado, se usa con frecuencia como indicador general de la calidad del agregado.Esta característica es esencial, cuando el agregado se usa en concreto sujeto a desgaste como en los pisos para servicio pesado. El método de prueba más común para la resistencia al desgaste, es el método del tambor giratorio de los Ángeles de acuerdo a la norma mexicana (NMX -C - 196 - 1984). Sin embargo, la comparación de los resultados de las pruebas de desgaste de los agregados, con las hechas para determinar la resistencia al desgaste del concreto, no muestra una correlación directa. La resistencia al desgaste del concreto puede determinarse con más precisión mediante pruebas de desgaste en el mismo concreto. F) REACCIÓN ÁLCALI-AGREGADO (NOM -C- 298-1900) Se considera que los agregados tienen estabilidad química, cuando no reaccionan químicamente con el cemento en forma peligrosa, ni sufren la influencia química de otras fuentes externas. En algunas regiones, los agregados que tienen ciertos elementos químicos, reaccionan con los álcalis del cemento, esta reacción álcali agregado puede producir expansión anormal y agrietamientos irregulares en el concreto. Si no existen registros sobre el comportamiento del agregado, y se sospecha que es inestable químicamente, existen pruebas para identificar los agregados que reaccionan con los álcalis, la norma oficial mexicana NOM – C – 180 ONNCE – 2001 “métodos de prueba para la determinación de la reactividad potencial de los agregados con los álcalis del cemento por medio de barras de mortero. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 22 G) FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LAS PARTÍCULAS La forma de las partículas y la textura superficial de un agregado, influyen en las propiedades del concreto fresco, más que en el concreto endurecido. Las partículas de superficie rugosa o las planas y alargadas requieren más agua para producir un concreto manejable, que los agregados redondeados o con partículas cubo id es. Por tanto, las partículas del agregado que son angulares requieren más cemento para mantener la misma relación agua/cemento. Sin embargo cuando la graduación es buena, tanto los agregados triturados como los no triturados, generalmente dan la misma resistencia, siempre que la dosificación de cemento sea la misma. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 23 PRINCIPALES CERACTERISTICAS DE LOS AGREGADOS CARACTERÍSTICA SIGNIFICADO O IMPORTANCIA NORMA MEXICANA NMX-ONNCCE REQUISITOS, SEGUN LAS ESPECIFICACIONES Resistencia al desgaste Indicador de la calidad del agregado. Para los pisos de bodegas, plataformas de carga, pavimentos. C-196 Máximo porcentaje de perdida Resistencia a la congelación y la fusión. Estructuras sujetas al intemperismo. C-075-ONNCCE Numero máximo de ciclos Estabilidad química Resistencia y durabilidad de todos los tipos de estructuras C-180-0NNCCE Máxima dilatación de la barra de mortero. Los agregados no deberán reaccionar con los álcalis del cemento Forma de la partícula y textura superficial. Manejabilidad del concreto fresco. Porcentaje máximo de piezas granulometría Manejabilidad del concreto fresco. Economía C – 077 - ONNCCE Porcentaje máximo y mínimo que pasa por las cribas estándar Peso volumétrico unitario. Calculo para el proyecto de mezclas. Clasificación. C-073-0NNCCE Peso unitario máximo o mínimo (concretos especiales.) Absorción y humedad superficial Control de calidad del concreto Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 24 2.3.3. SUSTANCIAS PERJUDICIALES EN LOS AGREGADOS Las sustancias perjudiciales, que pueden estar presentes en los agregados, incluyen las impurezas inorgánicas, limo, arcilla, carbón de piedra, lignito y algunas partículas blandas y ligeras. La mayor parte de las especificaciones, limitan las cantidades de estas sustancias en los agregados. Los métodos para descubrirlas sustancias perjudiciales, cualitativa o cuantitativa mente, se pueden observar en la siguiente tabla SUSTANCIAS PERJUDICIALES EFECTOS SOBRE EL NMX. CONCRETO NMX Impurezas orgánicas Afectan el fraguado y el Endurecimiento, y pueden producir deterioro. C-76-0NNCCE Materiales más finos que la malla No 200 Afectan la adherencia y aumentan la cantidad de agua necesaria. C -71 ONNCCE Carbón de piedra, Lignito u otros materiales ligeros. Afectan la durabilidad y pueden producir manchas y reventones. Partículas frágiles Afectan la manejabilidad y la durabilidad y pueden producir reventones. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 25 Resumiendo las características de los agregados que afectan las propiedades del concreto tenemos: PROPIEDAD DEL CONCRETO PROPIEDAD SOBRESALIENTE DEL AGREGADO Durabilidad: Resistencia al congelamiento y deshielo. Porosidad Permeabilidad Grado de saturación Resistencia a la tensión Textura, presencia de arcilla Resistencia al mojado y secado. Estructura de los poros Módulo de elasticidad. Resistencia al calentamiento y enfriamiento Coeficiente de expansión térmica. Resistencia a la abrasión dureza Reacción álcali-agregado. Presencia de ciertos componentes silícicos. resistencia Resistencia Textura superficial Limpieza Tamaño máximo CONTRACCION Módulo de elasticidad. Forma de la partícula. Granulometría Limpieza Tamaño máximo. Porcentaje de arcilla COEFICIENTE DE EXPANSION TERMICA. Coeficiente de expansión térmica. Módulo de elasticidad. CONDUCTIVIDAD TERMICA Conductividad térmica CALOR ESPECIFICO Color especifico PESO VOLUMETRICO Densidad Forma de la partícula Granulometría Tamaño máximo. MODULO DE ELASTICIDAD Modulo de elasticidad Relación de Poisson ECONOMIA Forma de la partícula Granulometría Tamaño máximo Cantidad de procesamiento Disponibilidad Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 26 Los agregados, mas comúnmente usados como la arena, grava, piedra triturada y escoria de altos hornos enfriada al aire producen concretos de peso normal es decir concreto que pesa de 2100 a 2500 Kg/m³ Las lutitas, arcillas, pizarras y escoria esponjadas se usan como agregados para producir concretos estructurales ligeros, con peso unitario que varía de 1300 a 1800 Kg.lm3 y otros materiales ligeros como piedra pómez, la escoria, la perlita, la vermiculita y la diatomita se usan para producir concretos aisladores que pesan de 240 a1400 Kg.lm3. Los materiales muy densos como la barita, magnetita, ilmenita, hierro y partículas de acero se usan para producir concreto muy denso. 2.3.4. ESPECIFICACIONES DE LOS AGREGADOS Los agregados conocidos comúnmente como grava y arena, son rocas o fracciones de roca cuya composición, forma y tamaño, influyen sobre la resistencia y calidad del concreto. Su influencia, viene determinada indirectamente por la cantidad de agua, que es necesario añadir a la mezcla, para obtener la docilidad y compactación necesaria. Se llama superficie específica del agregado, a la superficie por kilogramo de los agregados. Esta superficie es mayor o menor según el tamaño de los agregados. Cuando los agregados son pequeños su superficie es más elevada que cuando se trata de agregados gruesos. Si se mantiene el valor de la superficie específica del agregado,la cantidad de agua que es necesaria, para una docilidad y resistencia determinadas permanece constante, independientemente de la granulometría. ¿CÓMO DOSIFICAR LOS AGREGADOS? Hay que separar el agregado grueso en diferentes tamaños, para luego mezclarlo en las proporciones convenientes. El agregado fino se suele combinar según los tipos de arena. Este proceso no se puede llevar a acabo de una manera rigurosa, ya que un agregado clasificado de esta manera conduciría a una estructura muy poco cohesiva, por lo que es necesario un ligero exceso de fino. Una clasificación muy precisa de agregados, se debe de mirar siempre desde el punto de vista técnico-económico, contrapesando el costo de la clasificación de los agregados, frente a la calidad obtenida en el concreto. ¿CÓMO DEBE SER LA FORMA DE LOS AGREGADOS? Si se emplean agregados gruesos de formas inadecuadas, la cantidad de cemento necesaria para obtener una buena resistencia es elevada. Estas formas inadecuadas son las de tipo lajosa y su proporción en las mezclas se limita por el coeficiente de forma de la grava. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 27 ¿CÓMO DEBE SER LA SUPERFICIE DE LOS AGREGADOS? La rugosidad de un agregado se conoce como su textura. Una textura muy rugosa necesita una elevada proporción de finos para mejorar su docilidad. La unión entre la pasta de cemento y los agregados es tanto menor cuanto más liso sea la superficie de los agregados; por esto para obtener elevadas resistencias es conveniente utilizar agregados de superficie granular. De tal manera, y cuando el criterio de calidad de un concreto se establece por el valor de su resistencia a compresión para resistencias normales, el empleo de agregados rodados facilita el obtener concretos dóciles. ¿QUÉ CARACTERISTICAS DEBEN TENER LOS AGREGADOS? • No deben tener arcillas, limas y materias orgánicas. • En general, los agregados de baja densidad son poco resistentes y porosos. • La humedad de los agregados tiene gran importancia en la dosificación del concreto, sobre todo si se dosifica en volumen, ya que existe un entumecimiento del agregado que aumenta su volumen. Este aumento es considerable en las arenas. Al dosificar el agua de amasado hay que tener en cuenta la humedad de los agregados. • La arena de mina contiene demasiada arcilla y es necesario lavarla para su empleo en concreto armado. • Las arenas de mar, lavadas con agua dulce, se pueden emplear en concreto armado. La norma mexicana NMX-C-111- ONNCCE es adecuada para asegurar materiales satisfactorios para la mayoría de los concretos en México. 2.4. EL AGUA El agua en el concreto, juega un papel muy importante ya que es el agente activo que genera la reacción química con el cemento para que la mezcla de concreto adquiera primeramente la trabajabilidad adecuada y consecuentemente la dureza y resistencia con que se conoce al concreto. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 28 Casi cualquier agua natural que pueda beberse, y que no tenga sabor u olor notable sirve para mezclar el concreto. Sin· embargo, el agua que sirve para mezclar concreto puede no servir para beberla. Puede usarse agua cuyo comportamiento no se conozca para hacer concreto, si los cubos de mortero hechos con esa agua alcanzan resistencias a los 7 y a los 28 días, iguales o cuando menos el 90% de muestras, en que se hayan empleado agua potable. Además, deben hacerse pruebas para tener la seguridad, de que no afecta desfavorablemente el tiempo de fraguado del elemento, por las impurezas contenidas en el agua de mezcla. Cuando son excesivas las impurezas contenidas en el agua de mezcla, pueden afectar no solamente el tiempo de fraguado, la resistencia del concreto, la constancia de volumen, sino que pueden hasta producir eflorescencia o corrosión del refuerzo. CON AIRE INCLUIDO Es un concreto con burbujas de aire muy pequeñas, incluidas al concreto mediante un aditivo, ya sea durante la fabricación del cemento o durante las operaciones de dosificación y mezclado del concreto normal. Su propósito: aumentar la trabajabilidad, la durabilidad y mejorar la resistencia a la congelación. 2.4.1. NORMATIVIDAD Para determinar las características que presenta el agua para concreto, se deben utilizar las muestras tal como se reciben y de acuerdo con la norma oficial mexicana NOM-C-277-1980 (Método para obtener una muestra representativa de agua para concreto), además de analizar, cuando menos, tres muestras representativas. Los métodos de análisis, que se deben aplicar al agua para obtener sus características se especifican en la norma mexicana NMX-C-122- ONNCCE "agua para concreto" y son: Determinación de aceite, grasa y sólidos en suspensión. Determinación de la suma de carbonatos y bicarbonatos como C0₃ . Determinación de sulfatos como S0₄ . Determinación de c1oruros como C1. Determinación de la materia orgánica por el oxígeno consumido. Determinación del magnesia Mg ++. Determinación del PH Determinación de impurezas en solución Determinación de los álcalis como Na+ Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 29 3. CONSIDERACIONES DE LOS CONCRETOS EXPUESTOS AL FUEGO 3.1. ¿QUÉ ES EL FUEGO? Para que se produzca un incendio es preciso que confluyan tres elementos indispensables: "combustible", oxígeno y calor. Si coinciden los tres en su proporción adecuada aparece el fenómeno del fuego y si alguno de ellos desaparece el fuego deja de existir. Es lo que genéricamente se denomina el "triángulo del fuego" y nos sirve para representar gráficamente un vínculo obligado. Si logramos romperlo conseguiremos hacer desaparecer sus efectos, bien eliminando el combustible a base de "cortafuegos", "línea de defensa" o bien logrando reducir la temperatura con agua o, por último, procurando eliminar el aire en el entorno cubriéndolo con tierra, agua, etc. EL FUEGO EN LA NATURALEZA El fuego se puede considerar como un elemento que forma parte de la naturaleza cuando su origen es natural. Este no es otro que el de los rayos que acompañan al aparato eléctrico de las tormentas, sobre todo, en verano y cuando las temperaturas son bastante altas. Los incendios originados a partir de rayos suelen revestir bastante importancia, sobre todo, cuando se trata de tormentas secas, pues van acompañadas de fuertes corrientes de aire que hacen que el incendio se desarrolle con rapidez. Además hay que tener en cuenta que estas tormentas se suelen dar en el verano cuando el combustible vegetal se haya bajo un mínimo contenido de humedad. Se dan, por tanto, una serie de condicionantes que hacen que el incendio forestal se inicie y desarrolle con virulencia. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 30 En épocas pasadas el rayo dentro de la dinámica de la naturaleza se constituía en el elemento renovador de las masas forestales. El problema surge cuando las masas forestales tienen un alto grado de intervención antrópica. En el caso más extremo tenemos las masas monoespecíficas de coníferas exóticas. Es entonces cuando los efectos de un incendio pueden ser irreversibles provocando desequilibrios en la dinámica natural: erosión, inundaciones, desaparición de especies vegetales y animales, etc., y como consecuencia de ello los rayos pierden el carácter natural como elemento de ese dinamismo. EL FUEGO Y EL HOMBRE Nuestros antecesores más primitivos debieron ver el fuego, producido por agentes naturales sobre la vegetación, como un castigo o circunstancia divina que de forma casual se producía de vez en cuando a su alrededor. Tras el estruendo del trueno y el destello del relámpago el fuego se hacía visible y la destrucciónse generalizaba. Quizá algún sentido útil encontró el hombre para acercarse cada vez más a él. Y tras ese acercamiento, intentar dominarlo para utilizarlo con distintas finalidades. Las más importantes fueron la eliminación de vegetación para realizar labores ganaderas y agrícolas en las zonas así despejadas y su uso como calefacción y para cocinar alimentos en sus casas, debiendo trasladar el combustible y el propio fuego a esas zonas. El primer problema que se plantearían sería mantener de forma permanente la llama para que no se apagase, así como disponer constantemente de combustible. El segundo problema, provocar voluntariamente el fuego cuando se necesitase, debió encontrar su solución de manera probablemente casual, al descubrir procedimientos como la fricción continuada de dos palos o del choque de dos piedras. El tercero aún está presente hoy en día: manejar de manera segura una energía tan peligrosa como lo es el fuego. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 31 3.2. CLASIFICACIÓN DE INCENDIOS Se han clasificado los fuegos en cuatro tipos, de acuerdo con los materiales combustibles que los alimentan. Estas clases de fuegos se denominan con las letras "A", "B", "C" y "D". INCENDIO CLASE “A” Los incendios de la clase "A" son los que ocurren en materiales sólidos tales como trapos, viruta, papel, madera, basura y en general en materiales que se encuentren en ese estado físico. INCENDIO CLASE “B” Los incendios de la clase "B" son aquellos que se producen en la mezcla de un gas, tales como butano, propano, etc., con el aire, o bien, de la mezcla de los vapores que se desprenden de la superficie de los líquidos inflamables, tales como gasolina, aceites, grasas, solventes, etc. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 32 INCENDIO CLASE “C” Se clasifican como incendios "C" aquellos que ocurren en o cerca de equipo eléctrico o electrónico "energizado", donde deben usarse agentes Extinguidores no conductores, tales como los polvos químicos seco, bióxido de carbono. La espuma o chorros de agua no deben usarse, ya que ambos son buenos conductores de la electricidad y exponen al operador a una fuerte descarga eléctrica. INCENDIO CLASE “D” Los incendio clase "D¨ son los que se presentan en cierto tipo de metales combustibles, tales como magnesio, titanio, sodio litio, potasio, aluminio o zinc en polvo. 3.3. RESISTENCIA AL FUEGO La propiedad de un material de resistir al fuego aplicado. En los elementos de construcción, es la capacidad de continuar realizando una función estructural después de estar expuesto al fuego. 3.4. PROTECCIÓN PASIVA La protección pasiva para los revestimientos de las construcciones se ha convertido en un asunto de la mayor relevancia debido a los casos de excesos de fuegos registrados, donde la integridad de los revestimientos de concreto sufrió deterioros. La seguridad contra los incendios en las construcciones se puede aplicar para la seguridad de las personas, como para las estructuras. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 33 Al diseño para la seguridad contra los incendios en las construcciones se le ha otorgado una alta prioridad, sobre todo en los asuntos relacionados con el resguardo de las personas, pues esto último ha sido considerado meramente como un tema económico. Sin embargo, la integridad estructural contra el fuego tiene un impacto sobre las personas en diversas formas (por ejemplo, los objetos pesados o el concreto caliente desgajado pueden caer sobre la gente, o un túnel puede quedar inundado cuando el recubrimiento se quiebra o desgarra). 3.5. MEJORA DE LA PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO ESCENARIOS La respuesta estructural a los incendios en construcciones depende de la naturaleza del fuego, la cual puede variar considerablemente entre uno y otro espacio. La característica clave es la curva de temperatura – tiempo determinada por el fuego que afecta la superficie de la estructura y especialmente: 1) La tasa de calentamiento (tasa del incremento de la temperatura) que repercute en el desarrollo de la temperatura, la humedad y el gradiente de la presión de la porosidad dentro del concreto. 2) El nivel máximo de temperatura, que influye sobre la naturaleza de las relaciones físico–químicas en el material y a través de estas propiedades. 3) La duración del incendio, que interviene en el desarrollo de la temperatura dentro de la estructura respecto del tiempo. 4) El régimen de enfriamiento (por ejemplo, el del agua que tendría una preponderancia diferente sobre el material) y la distribución de la temperatura con un enfriamiento “natural”. Debido a la particularidad confinada del túnel, los incendios en estos espacios tienden a generar temperaturas más elevadas a los edificios y duran mucho más debido al acceso limitado para el ingreso de cuadrillas de bomberos, así como de su equipo. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 34 3.6. PROTECCIÓN PASIVA PARA LOS RECUBRIMIENTOS A pesar de su falta de combustibilidad y baja difusividad térmica, el concreto experimenta durante el incendio la formación de presiones porosas y de tensiones internas dúctiles que generan astillas explosivas. Esto tiene como resultado la pérdida de secciones y la exposición del acero de refuerzo a temperaturas extremadamente elevadas. Adicionalmente, debido al calentamiento, en particular a temperaturas superiores a los 300ºC, el concreto pierde resistencia. Estos problemas pueden ser enfrentados mediante la protección pasiva contra los incendios en el revestimiento, aunque todo depende del tipo que se esté considerando. En términos generales, la protección pasiva contra incendios se convierte en un asunto prioritario en cualquier lugar donde se presente una combinación que englobe los siguientes aspectos: prevención de explosión de astillas; protección de refuerzo y acero pres-forzado, para que no exceda temperaturas críticas; protección para que el concreto no exceda temperaturas excesivas. 3.7. EXPLOSIÓN DE ASTILLAS Esta explosión es el rompimiento violento de las capas o piezas de concreto de la superficie de un elemento estructural cuando ha sido expuesto a un aumento rápido de temperaturas, como el que tiene lugar en un incendio. Esto normalmente se lleva a cabo durante los primeros 20 o 30 minutos en una conflagración. Muchos materiales (por ejemplo, la permeabilidad, el nivel de saturación, el tamaño y el tipo de agregado; la presencia del resquebrajamiento y el refuerzo), las formas geométricas (como el tamaño de la sección) y el medio ambiente (el nivel de resistencia, o la tasa y el perfil de calentamiento) han sido factores que influyen en la explosión de astillas durante un incendio, como se ha identificado a partir de los experimentos. Los principales factores que repercuten en las esquirlas son la tasa de calentamiento (especialmente sobre los 2° o 3°C/minuto), la permeabilidad del material, el nivel de saturación de los poros (especialmente sobre 2 o 3% de Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 35 contenido de humedad por peso del concreto), la presencia de refuerzo y el nivel de resistencia externa aplicada. La baja permeabilidad del concreto de alto desempeño muestra una mayor tendencia para astillarse y experimentar múltiples astillas, que aquél con la resistencia normal del concreto a pesar de su mayor resistencia a la tensión. Esto se debe a que mayores presiones en los poros se van construyendo durante el calentamiento debido a la baja permeabilidad del material. También, el punto más alto en la presión de los poros ocurre más cerca de la superficie para el concreto de alto desempeño, lo que explica porqué las secciones más delgadasdel concreto se astillan en forma repetida a partir del concreto de alto desempeño en un incendio. 3.7.1. MECANISMOS PARA LA EXPLOSIÓN DE ASTILLAS Para explicar la explosión de astillas de concreto, los mecanismos propuestos desembocan en tres categorías. La primera, el astillamiento debido a la presión de los poros, provocado por el desarrollo de las presiones de los poros hacia el interior del concreto, dependiendo del contenido de humedad, la tasa de calentamiento y la permeabilidad del material. La segunda, corresponde a la tensión de astillamiento térmico, como la que presentan las cerámicas, sin agua, pero que explotan a tasas muy altas de calentamiento. La tercera es una presión de poros combinada con una tensión térmica de astillamiento. 3.7.2. LA PREVENCIÓN DEL ASTILLAMIENTO EXPLOSIVO A pesar de que en el pasado han sido propuestas una enorme cantidad de medidas para combatir el astillamiento explosivo, los métodos más efectivos son: Una barrera térmica para proteger la superficie del concreto que pueda ser atacada por el fuego. Estas son particularmente efectivas, ya que actúan al reducir sustancialmente el flujo de calor al material de substrato, y por tanto, al limitar el ascenso de las temperaturas. Hay varios tipos de barreras térmicas que varían desde paneles hasta de recubrimientos de tipo vermiculita desarrollado recientemente a partir del concreto en aerosol. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 36 El empleo exitoso del concreto en aerosol muestra que un concreto adecuadamente diseñado es de por sí resistente al fuego, y que irónicamente, el concreto puede ser utilizado para proteger al concreto contra el fuego. Las fibras de polipropileno (PP), moldeadas en la mezcla de concreto con el propósito de aumentar la permeabilidad durante el calentamiento reducen las presiones de los poros y el riesgo de astillamiento. Las fibras de PP se derriten cerca de los 160°C y proporcionan canales en el concreto para que se pueda escapar la humedad. Adicionalmente, el análisis microscópico ha revelado fracturas muy delgadas cerca de las fibras que también contribuyen a la reducción de la presión. Las pruebas actuales han demostrado que el tipo más efectivo de fibra es una de monofilamentos de 18 micras de diámetro. Un avance mucho más reciente ha sido el desarrollo de fibras de PP de bajo derretimiento (130ºC) que prometen ser mucho más efectivos. Sin embargo, la efectividad de las fibras de PP todavía debe optimizarse para un alto desempeño y para concretos de auto compactación. LA DECISIÓN SOBRE EL MÉTODO A UTILIZAR (O BIEN, AMBOS) DEPENDE DE CIERTOS FACTORES: • Los túneles ya existentes vs. Los de nueva construcción. En los túneles existentes sólo se puede usar una barrera térmica. En los nuevos, se cuenta con la opción de emplear cualquier método o ambos. • Costo y excesivas temperaturas. Las fibras de polipropileno son una opción mucho más barata ya que puede ser mezclado en el concreto durante el moldeo. Las fibras de polipropileno actúan para evitar la creación de presiones excesivas en los poros pero no reduce el desarrollo de la temperatura dentro del concreto. Por tanto, deben evitarse las altas temperaturas y en todo caso se deben utilizar barreras térmicas también en los nuevos túneles. 3.7.3. INCENDIOS Y MATERIALES DE CONCRETO El calentamiento provoca en el concreto una variedad de cambios físicos y químicos que van desde los ambientales hasta la fusión a temperaturas que exceden los 1000°C. La naturaleza de estos procesos depende de la mezcla de los componentes y las proporciones utilizadas, así como de la humedad y las condiciones ambientales que prevalecen durante el incendio. Al depender de estos factores, la resistencia a la compresión del concreto a elevadas temperaturas puede, por ejemplo, fluctuar a 300°C, de menos de 60% hasta 130%, de la resistencia. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 37 Dadas las posibles variaciones en la práctica del material y los factores ambientales, sería erróneo asumir que existe sólo una curva “típica” para una propiedad dada del concreto en contra de la temperatura. Los roles importantes de la secuencia carga– calentamiento, nivel de carga y tipo de agregado sobre las propiedades del concreto calentado no han sido consideradas exhaustivamente. El astillamiento, sobre todo, es un fenómeno estructural más que material. Aún si el astillamiento no se produce, el concreto puede experimentar una significativa pérdida de resistencia a una temperatura superior a los 300°C y es incapaz de soportar una carga sostenida si exceden los 550– 600°C. Por fortuna, debido a la baja difusividad térmica del concreto, únicamente las regiones de la superficie serían expuestas a esas altas temperaturas. Ya se ha establecido como una práctica normal, después de un incendio, remover el concreto previamente expuesto a índices superiores a los 300ºC. 3.8. CRITERIOS PARA BARRERAS TÉRMICAS La principal función para las barreras térmicas es proteger directamente el substrato material del fuego. Así, la función térmica es la primaria. • Criterio de la temperatura crítica de la zona interracial. La costumbre hasta la fecha ha sido especificar las temperaturas críticas de la zona interracial entre la barrera del substrato y la térmica. Mientras esto es lo correcto respecto a los substratos de acero (o cuando los criterios de temperatura son importantes para proteger el concreto y/o para su refuerzo), no lo es, en cambio, para el astillamiento del concreto. La única temperatura crítica realmente efectiva en contra del astillamiento en la zona de interface es aquélla que se encuentra por debajo de los 100ºC, y este es probablemente un criterio muy exigente. • Criterio de la tasa de calentamiento crítica. Durante el incendio, la explosión de astillas se produce durante los primeros 10 a 30 minutos, cuando las regiones internas del concreto se encuentran solamente entre los 100 a 200°C. Debido a que la explosión de astillas es una función de la tasa de calentamiento, más que una correspondiente a la temperatura máxima, resulta más adecuado especificar las tasas de calentamiento que las temperaturas críticas de la zona de interface. Este debería de convertirse en el enfoque del futuro, pero en la actualidad, ningún criterio sobre la tasa de calentamiento crítico ha sido propuesto. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 38 Debe hacerse un mayor énfasis en que, durante un incendio, no hay un riesgo cero de astillamiento. Básicamente, se trata de un fenómeno esporádico y la utilización de barreras térmicas y de fibras ayuda a reducir el riesgo del astillamiento en forma importante. Nomogramas que muestran las zonas de astillamiento y de no astillamiento deben utilizarse con mucha precaución y sólo como un indicador de tendencias. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 39 4. PROPIEDADES DEL CONCRETO 4.1. DEFINICION El concreto para la construcción de obras es el resultado de la mezcla y combinación, en dosificación adecuada, de cemento Portland, agregados pétreos finos y gruesos seleccionados y agua, que se utilizaran en la construcción de elementos estructurales o decorativos, pavimentos, pisos, tuberías, banquetas y guarniciones. 4.1.2. CONCRETO CONVENCIONAL Es una mezcla de cemento, arena, gravilla, agua y aditivo que posee la cualidad de endurecer con el tiempo, adquiriendo características que lo hacen de uso común en la construcción. En estado fresco posee suficiente tiempo de manejabilidad y excelente cohesividad en estado endurecido. Los materiales y el producto final son controlados y ensayados de acuerdo con las normas establecidas. 4.2. CARACTERISTICAS DEL CONCRETOEl concreto es un material de característica bien definidas, pero estas pueden variar con la naturaleza y la calidad de las materias primas con que se fabrique; con las proporciones que de estas se usen y del medio y cuidado que se ponga en su fabricación. Para conocerlo trataremos cada uno de estos aspectos. Es importante explicar brevemente las principales características del concreto, a reserva de ampliarlas posteriormente, de acuerdo a las necesidades del proyecto. 4.3. PROPIEDADES FÍSICAS y MECÁNICAS DEL CONCRETO 4.3.1. GENERALIDADES El concreto es un material artificial, obtenido de la mezcla en proporciones determinadas, de cemento, agregados, ya sean pétreos o artificiales, agua y en algunos casos aditivos. El cemento, el agua y algunas veces el aire atrapado forma una pasta que rodea a los agregados, sustituyendo un material heterogéneo. Ordinariamente la pasta de cemento constituye de un 25 a un 40 por ciento del volumen total del concreto. El volumen absoluto de cemento esta constituido entre 7 y 15 por ciento el agua de un14 a un 21 por ciento y el agregado constituye aproximadamente del 60 al 80 por ciento del volumen total del concreto. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 40 El valor del peso volumétrico del concreto, es de entre 1.9 a 2.5 ton/m³, dependiendo principalmente de los agregados pétreos que se empleen. El reglamento de construcción de distrito federal, dice que el concreto fresco tiene un peso volumétrico superior a 2.2 ton/m³, por las condiciones de humedad que este presenta. Con el fin de comprender el significado de los resultado de las pruebas físicas y mecánicas del concreto en su estado fresco y endurecido, es necesario conocer las propiedades de los componentes del concreto, para poder visualizar las características principales de este , en su estado fresco, continuando con las pruebas para determinar las propiedades generales del concreto endurecido, dentro de las cuales están principalmente la de resistencia a la compresión y con esto poder observar el comportamiento del producto final, mediante la interpretación de los resultados del concreto en cuestión. Las características de cada uno de los elementos del concreto, pueden ocasionar variaciones en la resistencia del concreto. Las variaciones también pueden ser resultado de la aplicación deficiente de las prácticas, seguidas durante la dosificación, mezclado, colocación y el curado. También se debe tomar en cuenta las variaciones que se tienen durante las pruebas de evaluación de su resistencia. 4.4. PROPIEDADES FISICAS DEL CONCRETO EN ESTADO FRESCO 4.4.1. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO FRESCO En la actualidad, principalmente en obras de gran magnitud, se realiza la determinación de la composición del concreto, para conocer básicamente la relación agua/cemento o simplemente el consumo de cemento. Pueden ser dos los objetivos que se buscan con la realización de estas pruebas; el primero de ellos, es con el fin de encontrar la producción del concreto conociendo los consumos reales del cemento; el segundo objetivo es, emplearlo como un procedimiento acelerado para predecir la resistencia del concreto mediante la determinación de la relación agua/cemento. Entre las principales características del concreto fresco podemos considerar las siguientes: UNIFORMIDAD Considerando que el concreto, es un material heterogéneo que se produce mezclando diversos componentes en cantidades establecidas, es necesario que esta mezcla sea uniforme, de buena cohesión y no segregable. Para que esto ocurra, se requiere conjugar dos condiciones indispensables: Que la mezcla este correctamente diseñada y con la consistencia adecuada a las condiciones de ejecución de la obra. Que se utilicen equipos y procedimientos de elaboración y colocación adecuados. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 41 TRABAJABILIDAD Podemos definir el termino "trabajabilidad" de un concreto, como la facilidad que presenta para ser transportado, colocado y compactado. Es importante hacer notar que esta trabajabilidad es relativa: un concreto trabajable para una presa puede ser no trabajable para una columna. Con base en esta definición se llega a la conclusión, que no se conoce ningún procedimiento de ensaye que la mida directamente, sin embargo existen algunos que pueden proporcionar información útil, dentro de intervalos razonables de variación. SEGREGACIÓN Y SANGRADO La norma oficial mexicana NMX -C -296 -ONNCCE -2000. Industria de la construcción, concreto, determinación del sangrado -método de prueba. Se conoce como segregación, a la separación de los elementos que forman una mezcla heterogénea de modo que su distribución deje de ser uniforme. En el concreto se presenta debido a la diferencia de tamaño de las partículas y a la densidad de los componentes. El sangrado es una forma de segregación, en la cual una parte del agua de la mezcla, tiende a elevarse a la superficie del concreto recién colocado. FRAGUADO Se entiende por fraguado, al cambio de un fluido al estado rígido. En concretos se emplea para describir la rigidez de la mezcla. En forma arbitraria para el concreto, se emplean dos términos: fraguado inicial y fraguado final. Se dice que el concreto alcanza el fraguado inicial, cuando su resistencia a la penetración es de (35 Kg. /cm²): El fraguado final se alcanza, cuando la resistencia a la penetración es de (280 Kg. /cm².) Estas características son muy importantes, ya que para formar criterios de aceptación o rechazo, es necesario conocer mediante las pruebas que se realicen a dicho concreto fresco. 4.4.2. CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO FRESCO Estas pruebas se ubican dentro del Procedimiento de Control del Concreto Fresco, el cual puede dividirse en dos etapas, la primera que consiste en aquellos trabajos o verificaciones que se realizan previo o durante la elaboración del concreto y la segunda etapa que la componen dichos ensayes o determinaciones que se realizan al concreto ya elaborado. Aspectos generales de los concretos expuestos al fuego 42 PRIMERA ETAPA Los trabajos de esta etapa consisten básicamente de los siguientes pasos: La verificación del fundamento y precisión de los equipos de dosificación y mezclado. La verificación de los equipos de dosificación y el mezclado los avala la Norma Oficial Mexicana NMX -C -155 -ONNCCE -2004 SEGUNDA ETAPA En esta etapa es necesario conocer las características del concreto fresco, mediante realización de pruebas al concreto elaborado. Trabajabilidad Como se menciono anteriormente, aún cuando no exista un procedimiento de ensaye que mida directamente la trabajabilidad existen algunos que proporcionan información útil, entre los más conocidos tenemos los siguientes: REVENIMIENTO Determinación del revenimiento del concreto fresco. El ensaye que con mayor frecuencia se realiza en las obras, es la determinación rutinaria de la consistencia del concreto, mediante la prueba del revenimiento, este es debido principalmente a su facilidad y al hecho de que se obtienen resultados inmediatos. Se puede considerar al valor del revenimiento como indicativo de la uniformidad de la relación agua/cemento para una relación grava/arena determinada. La variación en el revenimiento, es con frecuencia un medio para detectar variaciones en la relación agua / cemento, por lo que es posible usar esta prueba como un criterio para la aceptación o rechazo del concreto fresco, desde el punto de vista de las variaciones que esto podría ocasionar en la resistencia, además de los efectos que puede ocasionar en los procesos de transporte, colocación, compactación y acabado del concreto en la estructura.
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