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ANALISISYDISENO
Edgar Alava
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO “ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL, COMO MARCO REFERENCIAL PARA EL DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CALIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN Y SUPERVISIÓN DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURA DE CONCRETO REFORZADO” TESIS PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO CIVIL PRESENTAN: YOLANDA LUNA DIAZ ORDAZ ALFONSO RODRIGUEZ SANDOVAL ASESOR: ING. LUIS FERNANDO CASTRO PAREDES MÉXICO, D.F. 2009 Agradecimientos: A Dios: Por darme la fuerza y capacidad de realizar una de tantas actividades que me dan satisfacción. A mi mamá: Por su apoyo incondicional y su gran ejemplo de lucha, trabajo y dedicación en la vida… que me impulsaron a culminar una de las fases más importantes en mi superación personal. Te amo mamá! A mi papá: Por su gran cariño y ejemplo, de esfuerzo invaluable y constante que realiza cada día para salir adelante…y que ha fomentado en mi. Te amo papá! A mis hermanas y sobrina: Por su cariño, enseñanza, apoyo y comprensión en todas las etapas compartidas…las amo! A Alfonso Rodríguez Sandoval: Por su apoyo, confianza y amor, pero sobretodo por su enseñanza de vida: dar el justo valor a cada cosa…gracias por existir…Te amo!! Gracias… Yolanda Luna Díaz Ordaz Agradecimientos: A Dios: Por haberme puesto varias pruebas para indicarme que esta era mi vocación. A mi papá: Por haberme despertado desde pequeño lo esencial en esta carrera “El ingenio”. Gracias por haberme hecho una persona de trabajo. A mi mamá: Por haberme apuntalado con sus consejos y regaños. Gracias por desvelos en mi periodo de la carrera; finalmente… rindieron frutos. A mi hermana, sobrino y tías: Por siempre estar al pendiente de mí, en sus oraciones. A Yolanda Luna Díaz Ordaz: Gracias colega por tu paciencia y amor durante la carrera y lograr la culminación de la misma con este trabajo conjunto. A mis amigos y enemigos: Por toda la fuerza que en mi generaron. Gracias… Alfonso Rodríguez Sandoval Índice Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 1 INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN........................................................................................ 5 Justificación del proyecto…………………………………………………… 6 Objetivo de la tesis....................................................................................7 I. ANTECEDENTES DE LA UTILIZACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO 1.1. Concreto…………………………………………………………………… 8 1.2. Acero................................................................................................... 12 II. TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES 2.1. Introducción……………………………………………………………….16 2.2. Concreto…………………………………………………………………... 16 a) Componentes………………………………………………………….. 16 Origen de los agregados Arena Grava Cemento Agua b) Proceso………………………………………………………………….. 29 Mezclado del concreto Acarreo Tipos de transporte Relación agua-cemento Proporcionamiento Colado Compactación Vibrado Curado Propiedades Pruebas del concreto: c) ADITIVOS…………………………………………………………………………... 53 2.3. Cimbra…………………………………………………………………….. 55 Definición Requisitos de la cimbra Índice Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 2 Tipos de cimbra Diseño de la cimbra Montaje Apuntalamiento Colado Descimbrado Limpieza Almacenamiento Aditivos desmoldantes Topes y juntas Supervisión e inspección 2.4. Acero……………………………………………………………………… 73 Definición Componentes del acero Clasificación Propiedades Acero de refuerzo Tipos de refuerzo Prueba de tensión Requisitos complementarios del refuerzo: a) Recubrimiento b) Anclaje c) Doblez d) Ganchos e) Soportes y estribos f) Bastones g) Traslapes Almacenamiento del acero Limpieza del acero III. NORMATIVIDAD 3.1. Normas de calidad NOM……………………………………………….. 91 3.2. Normas Técnicas Complementarias………………………………… 94 IV. PROBLEMÁTICA ESTRUCTURAL EN LAS EDIFICACIONES CON ESTRUCTURA DE CONCRETO REFORZADO, SI LOS PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS NO SE VINCULAN A LA NORMATIVIDAD ESTABLECIDA Índice Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 3 4.1. Excavación……………………………………………………………….. 125 Someras Profundas Análisis y diseño de excavaciones Taludes Secuencia de excavación Tipos de suelo Protección de colindancias Control de aguas freáticas Ejecución Apuntalamiento 4.2. Plantilla de concreto……………………………………………………. 138 4.3. Cimentación……………………………………………………………… 138 Cimentaciones superficiales a) Zapatas aisladas. b) Zapatas corridas. c) Losas de cimentación. Cimentaciones combinadas o compensadas. a) El cajón de concreto. b) Cascarones de concreto. c) Losas continuas. Cimentaciones profundas. a) Pilas. b) Pilotes. Proceso constructivo Concreto en cimentaciones Cimbra 4.4. Trabes………………………………………………………………………..147 Definición Cimbra Acero Concreto 4.5. Columnas…………………………………………………………………. 149 Definición Cimbra Acero Concreto Índice Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 4 4.6. Losas………………………………………………………………………. 153 Definición Cimbra Acero Concreto V. CAPACITACIÓN Y ACTUALIZACIÓN PARA CONSTRUCTORES Y/O SUPERVISOR DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO 5.1. Organización del personal técnico de la obra ……………………... 158 Organización Bitácora de obra 5.2. Características del personal encargado de la construcción y/o supervisión de la estructura…………………………………………... 162 Órganos de la ejecución de obra Necesidad de supervisión Organización de la supervisión Requisitos del supervisor técnico Alcance de la supervisión Labores del supervisor Controles Control de la ejecución Procedimiento de control Especificaciones técnicas Programa de aseguramiento de la calidad 5.3. Conocimientos y/o capacitación y actualización……………………170 Importancia de las especificaciones Clasificación por objetivos VI. CONCLUSIONES………………………………………………………………172 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………… 173 Introducción Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 5 INTRODUCCIÓN Desde que el ser humano superó el estado nómada y se decidió por una existencia sedentaria; surgió la inevitable necesidad de construir fisonomías y estructuras que le protegieran de las inclemencias y peligros propios del medio ambiente. En las primeras civilizaciones nos encontramos con la construcción de chozas, a base de materiales frágiles y sin estabilidad, como la paja y la arcilla, que protegían las comunidades de las adversidades del clima y tiempo. Ilustración 1. Construcción antigua. Ilustración 2. Poblado de chozas. El desarrollo de la humanidad, traería consigo una abundante variedad de edificaciones, originadas en diversos motivos: las mezquitas y monasterios del oriente, los templos e iglesias del occidente, las grandes necrópolis egipcias y aztecas de la antigüedad, la muralla china construida tres siglos antes de Cristo, los castillos y recintos fortificados del medioevo, hasta los rascacielos de New York o de Bangkok y también los bohíos y casuchas de los barrios y favelas marginadas de Latinoamérica y África; que aún persisten como signo del subdesarrollo, rememorando las primeras construcciones humanas. Universidades, puentes, museos, viviendas, cárceles, avenidas, edificios comerciales, acueductos, presas, catedrales, parques, centros de diversión, etc., son testimonio del interés humano por adecuar el ambiente a sus múltiples necesidadesy manifestaciones culturales. El desarrollo de la industria de la construcción de cada pueblo siempre ha sido un indicador del nivel evolutivo que éste ha alcanzado, por lo que las normas jurídicas que regulan la construcción, del mismo modo, se han ido elaborando conforme las sociedades han tenido la necesidad de sujetar a reglas el entorno edificado que les sirve de hábitat. Justificación Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 6 Justificación del proyecto El concreto es el material de construcción que más se utiliza en nuestro país, también se considera como un material seguro y resistente. Se usa en todo tipo de construcciones, desde una vivienda hasta conjuntos de edificios y complejos comerciales. Se piensa en términos generales que las estructuras de concreto son durables y proporcionan una vida útil. Al mismo tiempo la sociedad ha exigido estructuras funcionales, resistentes, durables y fácil colocación. A través del tiempo se han realizado abundantes obras de ingeniería y arquitectura, donde el dicho material ha desempeñado un papel primordial. A medida que el concreto se convirtió en un material de uso práctico; se ha catalogado como el más importante para la construcción de las superestructuras de gran altura. Hoy en día no es posible imaginar la industria de la construcción sin el concreto, ni es posible imaginar al concreto sin la tecnología, los equipos, la maquinaria y sus principales componentes. El país requiere estar a la vanguardia tecnológica y seguir formando ingenieros capaces de influir en la construcción de la infraestructura; para ello es importante conocer sus grandes rectores: la capacitación, la tecnología y productos asociados. Por ello la labor de este trabajo se centrará en proporcionar una explicación clara y concisa de todos los aspectos que influyen en la utilización del concreto, desde el aspecto estructural hasta la preparación, acabado y el curado del mismo; también mencionaremos el estudio y análisis del Reglamento y Normas de la construcción vigentes; así como sus aplicaciones. Objetivo de la tesis Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 7 Objetivo de la tesis La intención de dicha investigación es que los temas abordados sirvan como auxiliares en la supervisión en obras de concreto, para desarrollar una mejor comprensión de los términos sumamente técnicos, a través de definiciones claras acompañadas de ilustraciones simples. Una comprensión general de estos términos, ayudará a facilitar la comunicación en la industria de la construcción, y facilitará un mejor funcionamiento entre los trabajadores de la construcción a quien va dirigida: constructores, ingenieros, supervisores, arquitectos y toda persona interesada en entender los procesos involucrados, para llevar a cabo una obra de ingeniería. Se encontrarán en términos simples los principios que rigen la preparación de concreto, y se mostrará cómo el conocimiento de éstos principios y de las propiedades del concreto puede aplicarse a la construcción de estructuras permanentes; incluyendo los avances de la tecnología del concreto. Por lo que el objetivo principal, del presente trabajo tiene como finalidad: “Fortalecer los conocimientos sobre las funciones y responsabilidades del supervisor, sobre los buenos procedimientos y técnicas actuales de construcción con concreto, para garantizar el cumplimiento exacto del proyecto estructural, sus especificaciones y los documentos contractuales; con el fin de conocer el comportamiento y la relación del concreto con los aspectos formales y estructurales en el diseño y construcción”. Asimismo se desarrollan comentarios sobre el empleo del Reglamento y Normas que se aplican en el ámbito de la construcción. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 8 I. ANTECEDENTES DE LA UTILIZACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO 1.1. CONCRETO La historia del cemento es la historia misma del hombre en la búsqueda de un espacio para vivir con la mayor comodidad, seguridad y protección posible. Desde que el ser humano superó las eras de las cavernas, ha aplicado a superar y a delimitar su espacio vital, satisfaciendo primero sus necesidades de vivienda y después levantando construcciones con requerimientos específicos; que constituyeron las bases para el progreso de la humanidad. En tiempos remotos, el pueblo Egipcio utilizaba ladrillos de barro o adobe secados al sol y colocados en forma regular, que se pegaban con una capa de arcilla del río Nilo, con o sin paja, a fin de crear una pared sólida de barro seco. Un mortero (mezcla de arena con materia cementosa) para unir bloques y lozas de piedra al erigir sus asombrosas construcciones. Ilustración 3. Pirámides de Egipto. En la isla de Creta, se mezcló cal con arena para hacer mortero. Los romanos adaptaron y mejoraron esta técnica para lograr construcciones de gran durabilidad (ejemplo: el Coliseo y el Partenón en Roma). Ilustración 4. Construcciones Romanas. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 9 Los Griegos fueron los primeros en percatarse de las propiedades cementantes de los depósitos volcánicos, al ser mezclados con caliza y arena, lo que actualmente conocemos como puzolanas (latín: Puteoli, un pueblo cercano a la bahía de Nápoles); mortero de gran fuerza, capaz de resistir la acción del agua, dulce o salada. En los siglos IX al XI se perdió el arte de calcinar para obtener cal y los morteros usados eran de mala calidad. Para los siglos XII al XIV, revive el arte de preparar mortero con las técnicas usadas por los romanos y para el siglo XVIII se reconoce el valor de la arcilla sobre las propiedades hidráulicas de la cal. En 1756 John Smeaton (ingeniero inglés), encontró que al combinar la cal viva con otros materiales creaba un material extremadamente duro que se podría utilizar para unir otros materiales. Utilizando este conocimiento se construye la primera estructura de concreto (proporciones para el cemento). Para 1796 James Parker casó una patente para cemento hidráulico natural (cemento de Parker o cemento romano). En 1816 se construye el primer puente de concreto en Souillac, Francia. Se asoció un entrampado de barras de hierro con concreto en ambas caras; que se aplicó en una iglesia de Courbevoie, Francia en 1820. Joseph Aspdin obtuvo la primera patente británica en 1824 para producir Cemento Pórtland, por medio de un proceso de pasta (método húmedo) y más tarde se utiliza el primer concreto moderno producido en América en la construcción del canal de Erie. El volumen de concreto usado en su construcción le adjudicó ser el proyecto de concreto más grande de sus días. Este período se caracterizó por la aplicación de tres materiales; el acero, el cristal y el concreto, que permitirían la industrialización de la producción, la prefabricación, el rápido montaje y la pronta recuperación del capital, todo esto en busca de una prosperidad económica a través del libre mercado, en el que la competencia se convertiría en la fuerza motriz del progreso. En 1845 Isaac Jonson obtiene el prototipo del cemento moderno quemado a gran temperatura: una mezcla de caliza y arcilla que dio origen al llamado “clinker”. En Londres, 1851: nace el primer evento de carácter mundial acerca de la construcción. Para conmemorar este evento, se construye un edificio para albergar a todas las naciones, hecho encomendado a Joseph Pastón quien haciendo uso de acero recubierto con cristal, creó el Palacio de Cristal. Es durante la construccióndel Palacio Industrial, fundado en los Campos Elíseos en Francia, cuando se pensó en que se realizarían las primeras investigaciones y los primeros productos de la técnica del concreto armado, planteando la integración de las artes y las técnicas. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 10 Ilustración 5. Fachada del Palacio de Cristal. Ilustración 6. Palacio de Cristal En 1861, el francés Coignet construyó un solar con el principio de entrampado de acero y cimbrado para recibir el concreto, posteriormente se crearon las primeras losas con refuerzo metálico embebido en el concreto. El jardinero Monier, construyó un depósito de agua de 200 m3, y sus procedimientos fueron aplicados en la construcción de bóvedas armadas, y después en vigas rectas. Más tarde el ingeniero Mazas aplicó por primera vez el cálculo de los elementos de concreto, fundamentando las bases de las resistencias de materiales. En 1890 se introdujo el yeso como retardante del fraguado y se utilizaron altas temperaturas, para obtener silicatos con alto contenido de óxido de calcio; y para 1900, se estandarizan las pruebas básicas del concreto. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 11 Para 1901 Arthur Henry Symons diseñó una abrazadera de columna que se utilizaría como encofrado de concreto, que se caracterizaba por ser ajustable y mantener las formas cuadradas. Se comenzó a introducir las innovaciones del concreto armado a la arquitectura y la ingeniería; a partir de este momento, se alcanza un gran desarrollo en las técnicas, métodos constructivos y cálculos. Con este crecimiento tecnológico, nacen industrias relacionadas o derivadas del cemento. Para controlar mejor su uso y para su empleo más eficiente, se crean industrias del concreto premezclado, de la prefabricación, del preesfuerzo, tubos, bloques, entre otras. Se fundó la Institución Británica de Estándares en 1904, y se publica la primera especificación del Cemento Pórtland por la American Society for Testing Materials (ASTM). Que dieron comienzo a las investigaciones sobre las propiedades del cemento, con una base científica y sistemática. Más tarde, Frank Lloyd utiliza el concreto en vigas ocultas de ayuda, losas, paredes y techos; también se construye El Canal de Panamá que ofrece tres pares de exclusas de concreto. En 1960, se patenta el Cemento Sulfoaluminoso (Klein) e inaugurándose la Casa de Opera en Sydney en 1973, aparecen los desbloqueadores líquidos, compuestos para curar, selladores de acrílico y endurecedores, gracias a la línea química de productos de concreto de Symons. Ilustración 7. Casa de Opera. Para 1985, cenizas volantes son introducidas como aditivo puzolánico, y el sistema de formación de concreto se introduce en 1987. La aparición del cemento ha sido un factor determinante para que el mundo adquiera fisonomía diferente. Edificios, calles, avenidas, carreteras, presas, canales, fábricas, talleres y casas, dentro del más alto rango de tamaño y variedades, nos dan un mundo nuevo de comodidad, de protección y belleza, donde realizar nuestros más ansiados anhelos, un nuevo mundo para trabajar, para crecer, para progresar, para vivir. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 12 1.2. ACERO No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible para ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto, datan del año 3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico, llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal; esta esponja de hierro, se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria, soldar y consolidar el hierro. Ilustración 8. Fundición del acero. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0.1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 13 Ilustración 9. Fundición de metal. Después del siglo XIV, se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño, el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero se emplea en altos hornos, que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire, se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Figura 1. Transformación del mineral de hierro en arrabio. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 14 Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro. Figura 2. Alto horno. LOS PRIMEROS ACEREROS Como el hierro se corroe fácilmente, no se conservan piezas muy antiguas, que sirvan de pista para localizar a los primeros fundidores de hierro que supieron explotar lo primeros minerales ferrosos. Los minerales ferrosos son mucho más abundantes en la tierra que el hierro meteórico, sin embargo las técnicas para aprovecharlos son mucho más complicadas. Para aprovechar el hierro meteórico solamente hay que conformarlo a base de martillazos, inclusive en algunos casos no hay necesidad de calentarlo. Los minerales ferrosos, por el contrario, son una mezcla de óxidos de hierro y una cantidad variable de otros compuestos, donde la separación del hierro no es nada fácil. Es probable que de manera accidental, los antiguos hayan descubierto pequeños trozos de hierro en residuos de fogatas, donde se quemó leña en abundancia en contacto con rocas de alto contenido férrico. Esto es concebible porque el hierro ocupa el cuarto lugar en abundancia en la corteza terrestre después del oxígeno, el silicio y el aluminio. Hasta aquí los antiguos tenían hierro, no acero. Hay indicios de que alrededor del año 1200 a.C. ya se sabía cómo convertirla superficie del hierro forjado en acero. Entre los antiguos, el hierro era considerado de origen celeste, sideral. Algunos pensaban que el cielo era una bóveda de donde se desprendían los meteoritos. Los herreros eran señores del fuego, brujos, chamanes, capaces de lograr una transmutación que hacía aparecer el material de los cielos en la tierra. Antecedentes históricos Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 15 El proceso de "aceración" del hierro, se dice, surgió por la necesidad de contar con un material tan fuerte como el bronce. El efecto del carbono en el endurecimiento del acero, se compara con el efecto del estaño en el cobre. Para tener una ventaja notoria sobre el bronce, los herreros tuvieron que ingeniárselas para introducir un 0.4% de carbono en el hierro. Los herreros antiguos empacaban a los objetos de hierro en polvo de carbón de leña y los metían en un horno para que el carbono se difundiera en el hierro. A temperaturas tan altas como 950°C, toma nueve horas formar una corteza de acero (con 0.5% de carbono) de 1.5 mm. de grueso alrededor de la pieza de hierro. Este proceso, con algunas variantes, todavía se emplea en la actualidad y se conoce como cementación. Al emerger la civilización de la oscuridad de la Edad Media, todavía la cementación era el método más generalizado para convertir la superficie del hierro forjado en acero. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 16 II. TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES 2.1. INTRODUCCION En muchas ocasiones se recurre al concreto como un material de construcción seguro y resistente. El concreto es básicamente una mezcla de dos componentes, agregado y pasta para formar una masa que al fraguar y endurecer adquiere una consistencia similar a la de las mejores piedras naturales. 2.2. CONCRETO a) COMPONENTES Cuando el cemento se combina con agua para formar una pasta de aspecto similar a una roca, esta mezcla se combina con los agregados arena y grava, para que actúe como adhesivo al unir las partículas de agregado para formar así a lo que llamamos concreto; el material de construcción más versátil. Así que se consideran los principales componentes del concreto: a los agregados (arena que es agregado fino y grava-agregado grueso), agua y cemento. Ilustración 10. Componentes del concreto Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 17 ORIGEN DE LOS AGREGADOS La definición del origen 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 metamórficas, las que a su vez se subdividen y clasifican en diversos tipos de acuerdo con sus características textuales y mineralógicas. Las rocas ígneas, proceden de la solidificación por enfriamiento de la materia fundida (magma), 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. 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. Ilustración 11. Origen de los tipos de rocas (agregados). El agregado se refiere a cualquier de los diferentes materiales minerales inertes, como la grava y la arena, que se añaden a la pasta de cemento para hacer el concreto. Debido a que el agregado representa del 60 al 89% del volumen del concreto, sus propiedades son importantes para la resistencia, el peso y resistencia al fuego del concreto endurecido. El agregado debe ser duro, dimensionalmente estable, libre de arcilla, limo y materia orgánica que puede evitar la aglomeración de las partículas por la matriz de cemento. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 18 ARENA Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm. La arena o árido fino es el material que resulta de la desintegración natural de las rocas o se obtiene de la trituración de las mismas, y cuyo tamaño es inferior a los 5mm. Para su uso se clasifican las arenas por su tamaño. A tal fin se les hace pasar por unos tamices que van reteniendo los granos más gruesos y dejan pasar los más finos. Ilustración 12. Agregado fino (arena). Ilustración 13. Tamices para agregado fino. Arena fina: Sus granos pasan por un tamiz de mallas de 1mm de diámetro y son retenidos por otro de 0.25mm. Arena media: es aquella cuyos granos pasan por un tamiz de 2.5mm de diámetro y son retenidos por otro de 1mm. Arena gruesa: Sus granos pasan por un tamiz de 5mm de diámetro y son retenidos por otro de 2.5mm. Las arenas de granos gruesos dan, por lo general, morteros más resistentes que las finas, si bien tienen el inconveniente de necesitar mucha pasta de conglomerante para rellenar sus huecos y ser adherentes. El almacenamiento de éste agregado debe ser uniforme con relación al centro. Puede llevarse a cabo por medio de una chimenea, la cual debe rodear al material que cae del extremo del transportador, para evitar que el viento separe el material. La chimenea deberá tener aberturas de manera que se puedan descargar los materiales a diferentes alturas sobre el montón. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 19 GRAVA Es el agregado grueso resultante de la desintegración natural y abrasión de rocas o transformación de un conglomerado débilmente cementado. Se consideran como gravas a los fragmentos de roca con un diámetro inferior a 15 mm. Los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16. Ilustración 14. Agregado grueso (grava). Ilustración 15. Tamices para agregado grueso. Tienen aplicación en mampostería, confección de concreto armado y para pavimentación de líneas de ferrocarriles y carreteras. Además de las rocas que se encuentran ya troceadas en la naturaleza, se pueden obtener gravas a partir de rocas machacadas en las canteras. Como las arenas o áridos finos, las gravas son pequeños fragmentos de rocas, pero de mayor tamaño. Por lo general, se consideran gravas los áridos que quedan retenidos en un tamiz de mallas de 5mm de diámetro. En cuanto a la forma, se prefiere los áridos rodados, esto es, los procedentes de ríos y playas. Los áridos naturales, de forma más o menos redondeada, los cuales son más dóciles y de más fácil colocación que los obtenidos con piedra machacada. Este tipo de agregado deberá almacenarse utilizando una grúa u otro equipo en montones separados, cada uno mayor que la carga de un camión; de manera que permanezca en el lugar donde se coloque y no ruede por los taludes. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 20 Ilustración 16. Almacenamiento de grava. Generalmente los montones no deberán formarse en capas horizontales radialmente, empujando los materiales que se descargan desde un transportador de banda cuando se almacenan en montones los agregados de tamaño grande, se dejan caer de transportadores elevados; la ruptura mínima se obtiene usandouna escalera para roca. Si los agregados finos (arenas) y gruesos (gravas) están mojados, deben ser almacenados en donde permanezcan limpios y separados de otros materiales y estén secos .Si esto sucede, se debe utilizar menos agua en la mezcla. CEMENTO. El Cemento Portland es un polvo mineral finamente molido, resultante de la trituración, mezcla y calcinación de los siguientes materiales de origen natural: la caliza, la arcilla y pequeñas cantidades de otras materias primas. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 21 Ilustración 17. Cemento a granel. El cemento moderno se desarrolló a través de varios descubrimientos. En el año 1756, un constructor inglés llamado John Smeaton descubrió que el mejor mortero se obtenía cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía material arcilloso. En 1824, Joseph Aspdin preparó un cemento calentando una mezcla de arcilla, finamente triturada y caliza, que denominó y patentó con el nombre de “cemento portland”. El prototipo del cemento moderno lo obtuvo Isaac Johnson en el año 1845, quien quemó a altas temperaturas una mezcla de arcilla y caliza hasta formar el “clinker”. En las actuales fábricas de cemento, este clinker se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino al cual se le adiciona yeso y el producto resultante es el cemento portland que tanto se usa en todo el mundo. La presentación de dicho producto, es generalmente, en sacos de 50 kg. Ilustración 18. Sacos de cemento. Los cementos Pórtland son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos de calcio hidráulicos, esto es, fraguan y endurecen al reaccionar químicamente con el agua. En el curso de esta reacción, denominada hidratación, el cemento se combina con el agua para formar una pasta y cuando le son Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 22 agregadas arena y grava triturada, se forma lo que se conoce como el material más versátil utilizando para la construcción, es decir, el concreto. La hidratación inicia en el momento en que el cemento entra en contacto con el agua, el endurecimiento de la mezcla da principio generalmente a las tres horas y el desarrollo de la resistencia se logra a lo largo de los primeros 30 días, aunque éste continúa aumentando muy lentamente por un periodo mayor de tiempo. En la fabricación del cemento, se utilizan normalmente calizas de diferentes tipos, arcillas, aditivos -como el mineral de fierro cuando es necesario- y en ocasiones materiales silicosis y aluminosos. Estos materiales son triturados y molidos finalmente para luego ser alimentados a un horno rotario a una temperatura de 1,400 grados centígrados y producir un material nodular de color verde oscuro denominado CLINKER. Ilustración 19. Muestras de cemento. El clinker, la materia prima para producir el cemento, se alimenta a los molinos de cemento junto con el mineral de yeso, el cual actúa como regulador del fraguado. La molienda conjunta de estos materiales produce el cemento. Las variables a controlar y los porcentajes y tipos de materiales añadidos, dependerán del tipo de cemento que se requiera producir. El tipo de materias primas y sus proporciones se diseña en base al tipo de cemento deseado. CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS El cemento, es el material de mayor importancia en la mezcla, puesto que es elemento que proporciona resistencia al concreto. Los cementos de uso más común en México son los cementos Pórtland gris tipo I y el C-2 puzolánico, aunque también se emplean los tipos II y IV. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 23 Tabla 1. La clasificación de los tipos de cemento está proporcionada por la norma ASTM C 150 que establece ocho diferentes tipos de cementos, de acuerdo a los usos y necesidades del mercado de la construcción. TIPO NOMBRE APLICACIÓN I Normal Para uso general, donde no son requeridos otros tipos de cemento. IA Normal Uso general, con inclusor de aire. II Moderado Para uso general y en construcciones donde existe un moderado ataque de sulfatos o se requiera un moderado calor de hidratación. IIA Moderado Igual que el tipo II, pero con inclusor de aire. III Altas resistencias Para uso donde se requieren altas resistencias a edades tempranas. IIIA Altas resistencias Mismo uso que el tipo III, con aire incluido. IV Bajo calor de hidratación Para uso donde se requiere un bajo calor de hidratación. V Resistente a la acción de los sulfatos Para uso general y además en construcciones donde existe un alto ataque de sulfatos. Tipo I Este tipo de cemento, es de uso general y se emplea cuando no se requiere de propiedades y características especiales, que lo protejan del ataque de factores agresivos como sulfatos, cloruros y temperaturas originadas por el calor de hidratación. Entre los usos donde se emplea este tipo de cemento están; pisos, pavimentos, edificios, estructuras y elementos prefabricados. Tipo II El cemento Pórtland tipo II, se utiliza cuando es necesaria la protección contra el ataque moderado de sulfatos, como por ejemplo en las tuberías de drenaje, siempre y cuando las concentraciones de sulfatos sean ligeramente superiores a lo normal, pero sin llegar a ser severas. (En caso de presentarse concentraciones mayores, se recomienda el uso de cemento tipo V, el cual es altamente resistente al ataque de los sulfatos). Genera normalmente menos calor que el cemento tipo I, y este requisito de moderado calor de hidratación puede especificarse a opción del comprador. En casos donde se especifican límites máximos para el calor de hidratación, puede emplearse en obras de gran volumen y particularmente en climas cálidos, en aplicaciones como muros de contención, pilas, presas, etc. La Norma ASTM C 150 establece como requisito opcional un máximo de 70 cal/g a siete días para este tipo de cemento. Tipo III Este tipo de cemento desarrolla altas resistencias a edades tempranas, a 3 y 7 días. Esta propiedad se obtiene al molerse el cemento más finamente durante el proceso de molienda. Su utilización se debe a necesidades específicas de la construcción, cuando es necesario retirar cimbras lo más pronto posible o cuando Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 24 por requerimientos particulares, una obra que tiene que ponerse en servicio muy rápidamente, como en el caso de carreteras y autopistas. Tipo IV El cemento Pórtland tipo IV se utiliza cuando por necesidades de la obra, se requiere que el calor generado por la hidratación sea mantenido a un mínimo. El desarrollo de resistencias de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo las grandes presas. Tipo V El cemento Pórtland tipo V se emplea en obras donde el concreto está expuesto a la acción severa de los sulfatos, principalmente en aquellos lugares donde los suelos y las aguas freáticas contienen sulfatos en concentraciones muy altas. El desarrollo de resistencia es sumamente lento. La gran resistencia al ataque de los sulfatos mostrada por este tipo de cemento, se debe al bajo contenido de aluminato tricálcico del mismo. La resistencia al ataque por sulfatos se incrementa con aire incluido, o con bajas relaciones agua-cemento. Cementos naturales Es un compuestode cal, alumina, fierro, sílice, finalmente pulverizado; no requiere un esfuerzo específico, para ajustar su composición, siendo en su color verdoso, grisáceo o terreo. Su principal aplicación es en los morteros, (mezcla para reglar o juntar mampostería, gradas y algunas veces se emplean como aditivo de bajo costo para concreto, de cemento Pórtland. Tiene una resistencia de 20 kg/cm2 A 80 kg/cm2 y su temperatura de cocción oscila entre 1000 a 1450 °C. Cementos artificiales Se llama así a todos aquellos cementos, cuya fabricación parte de mezclas de caliza y arcilla, preparadas y dosificadas con la ventaja de composición que no se da en las marcas naturales. Cemento Pórtland Es un cemento artificial, con un conglomerante hidráulico y una cantidad de cal (CAO) no inferior de 1.7% de su peso; una parte de silicato soluble aluminia (A103) y pequeñas cantidades de óxido perrimo, obtenido por una energía de trituración y una mezcla íntima de los materiales, hasta llegar a la conclusión y molienda, reduciendo a polvo. Este cemento es la mezcla de materiales arcillosos y calcáreos, cuya mezcla se calcina en un horno rotatorio a una temperatura de 1500 °C por lo que se formaban bolas ongulizadas llamadas Clinker, junto a un retardador, obteniendo una mezcla fina y homogénea en forma de polvo. El cemento Pórtland es empacado en sacos de papel comúnmente de 20 kg. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 25 La Norma ASTM C 150 establece un valor máximo de 5% de contenido de aluminato tricálcico para este tipo de cemento. OTROS TIPOS DE CEMENTO Cemento de albañilería Estos son, cementos hidráulicos diseñados para emplearse en morteros, para construcciones de mampostería. Están compuestos por alguno de los siguientes: cemento Pórtland, cemento Pórtland puzolana, cemento Pórtland de escoria, cal hidráulica o cemento natural. Además, normalmente contienen materiales como cal hidratada, caliza, creta, talco o arcilla. La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería, se mantienen a niveles uniformes gracias a los controles durante su manufactura. Aparte de ser empleados en morteros para trabajos de mampostería, pueden utilizarse para argamasas y aplanados, más nunca se deben de utilizar para elaborar concreto. Cementos expansivos El cemento expansivo, es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el periodo de endurecimiento, a edad temprana después del fraguado. Debe satisfacer los requisitos de la especificación ASTM C 845, en la cual se le Cemento Pórtland Blanco El cemento Pórtland blanco, difiere del cemento Pórtland gris únicamente en el color. Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C 150, normalmente con respecto al tipo I o tipo III; el proceso de manufactura, sin embargo, es controlado de tal manera que el producto terminado sea blanco. El cemento Pórtland blanco es fabricado con materias primas que contienen cantidades insignificantes de óxido de hierro y de manganeso, que son las sustancias que dan el color al cemento gris El cemento blanco se utiliza para fines estructurales y para fines arquitectónicos, como muros precolados, aplanados, pintura de cemento, páneles para fachadas, pegamento para azulejos y como concreto decorativo. ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO El cemento Pórtland que se mantiene seco, conserva sus cualidades indefinidamente, para ello es necesario llevar a cabo un buen almacenamiento. El cemento Pórtland almacenado en contacto con la humedad, fragua más despacio y tiene menos resistencia. El aire del cobertizo o bodega que se use para almacenar cemento, deberá estar tan seco como sea posible. Deberán taparse todas las grietas y aberturas. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 26 Los sacos de cemento no se deben almacenar en suelos húmedos. Los sacos se deberán estibar juntos para reducir la circulación del aire, pero no se deben apoyar contra los muros exteriores. Los sacos que se van almacenar durante largos periodos, se deben cubrir con lonas u otras cubiertas impermeables obteniendo así una protección adicional. En las obras más pequeñas, en las que no se dispone de cobertizos, los sacos deberán colocarse en plataformas de madera elevadas. Deberán ponerse cubiertas impermeables sobre los montones y las orillas de las mismas, deberán rebasar los bordes de la plataforma para evitar que la lluvia llegue al cemento y a la plataforma. Ilustración 20. Almacenamiento de cemento Ilustración 21. Protección de cemento El cemento almacenado por largos periodos, pueden sufrir lo que se llama “compactación de bodega”. Cuando se use el cemento deberá fluir libremente y no contener terrones. Si los terrones no se rompen con facilidad, el cemento debe probarse cuando se trate de trabajos importantes antes de usarlo. El cemento a granel, usualmente se almacena en silos impermeables. Ordinariamente, no permanece almacenado durante largo tiempo, pero puede almacenarse un tiempo relativamente largo sin que se perjudique. AGUA. Casi cualquier agua natural que sea potable y que no tenga sabor u olor pronunciado, se puede utilizar para producir concreto. Su función principal es el reaccionar químicamente con el cemento. Sin embargo, algunas aguas no potables pueden ser adecuadas para el concreto. Se puede utilizar para fabricar concreto, si los cubos de mortero producidos con ella, alcanzan resistencia a los siete días iguales, al menos el 90% de especimenes testigo fabricados con agua potable o destilada. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 27 Ilustración 22. Incorporación del agua a los agregados. Las impurezas excesivas en el agua, no solo pueden afectar el tiempo de fraguado y la resistencia de él concreto, sino también, pueden ser causa de eflorescencia, manchado, corrosión del refuerzo, inestabilidad volumétrica y una menor durabilidad. El agua que contiene menos de 2,000 partes de millón (ppm) de sólidos disueltos totales, generalmente puede ser utilizada de manera satisfactoria para elaborar concreto. Deberá ser ensayada para investigar su efecto sobre la resistencia y el tiempo de fraguado. No se debe usar agua de mar, ya que puede corroer el acero en el concreto. En el caso del agua que se emplea en la fabricación del concreto, se considera que puede tener dos funciones principales en el proceso; la primera como agua de mezclado y la segunda como agua de curado. Ambas funciones son evaluadas por la Norma NMX C-122 estableciendo los parámetros que deben cumplir las aguas no potables, así como una clasificación de los diversos tipos de agua que existen y sus efectos y limitaciones para ser usadas en el concreto. Cuando el agua funciona como un ingrediente en la fabricación de concreto, es decir, como agua de mezclado, se puede estimar que el agua ocupa entre 10 y 25 % de cada metro cúbico de concreto que se fabrica. CLASIFICACION DE AGUA (NMX C-122) Tabla 2. Tipos de agua. Tipo de agua Efectos con su uso en concreto Aguas puras Acción disolvente e hidrolizante de compuestos cálcicos del concreto. Aguas ácidas naturales Disolución rápida de los compuestos del cemento Aguas fuertemente salinas Interrumpe las reacciones del fraguado del cemento. En el curado, disolución de los componentes cálcicos del concreto. Aguas alcalinas Produce acciones nocivas para cementos diferentes al aluminoso. Aguas sulfatadas Son agresivos para concretos fabricados con cementos Pórtland, en especial al tipo I. Aguas cloruradas Produce una alta solubilidad de la cal. Aguas magnesianas Tienen a fijar la cal, formando hidróxido de magnesio y yesoTecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 28 insoluble. En la mezcla, inhibe el proceso de fraguado del cemento. Agua de mar Produce eflorescencias. Incrementa la posibilidad de generar corrosión del acero de refuerzo. Aguas recicladas El concreto puede acusar los defectos propios del exceso de finos. Aguas negras Efectos imprevisibles. CARACTERISTICAS FISICAS Y QUIMICAS (NMX C-122) El agua no potable, empleada para el concreto, en cualquiera de las dos funciones anteriormente mencionadas y dependiendo del cemento que se utilice. Tabla 3. Clasificación del agua según sus características: Impurezas Cementos ricos en Ca Cementos resistentes a sulfatos Sólidos en suspensión -limos y arcillas -finos de cemento y agregados 2,000 50,000 2,000* 35,000* Cloruros como Cl-(a) -concreto con acero de refuerzo -concreto reforzado en ambientes húmedos 400 (c) 700 (c) 600 (c)* 1000 (c)* Sulfato como SO42-=(a) 3,000 3,500* Magnesio como Mg2+(a) 100 150* Carbonatos como CO32- 600 600* Dióxido de carbono disuelto, como CO2 5 5* Álcalis totales cono Na+ 300 450* Total de impurezas en solución 3,500 4,000* Grasas o aceites 0 0* Materia orgánica 150 (b) 150 (b)* pH no<6 no<6.5 *Límites máximos en p.p.m. 1) Las aguas que excedan los límites enlistados para cloruros, sulfatos y magnesio, podrán emplearse si se demuestra que la concentración calculada de estos compuestos, en el agua total de la mezcla, incluyendo el agua de absorción de los agregados u otros orígenes, no exceden dichos límites. 2) El agua se puede usar siempre y cuando las arenas que se empleen en el concreto, acusen un contenido de materia orgánica cuya coloración sea inferior a 2 de acuerdo con el método de la NMX C-88. 3) Cuando se use cloruro de calcio (CaCl2) como aditivo acelerante, debe tomarse en cuenta el dosificado para no exceder el límite de cloruros establecidos (ACI 318). 4) Cuando se use cloruro de calcio (CaCl2) como aditivo acelerante, debe tomarse en cuenta el dosificado, para no exceder el límite de cloruros establecidos (ACI 318). Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 29 b) PROCESO MEZCLADO DEL CONCRETO Para llevar a cabo el mezclado, primero debe cargarse al menos el 10% del agua, después un 10% de la grava, luego el cemento y sigue el resto de los agregados. Todos los materiales secos deben incorporarse con la mayor rapidez posible, como si fueran en una banda. No deben permitirse pérdidas por derrames o como polvo. En tiempo de frío, cuando se usa agua caliente, la adición del cemento debe retrasarse casi al final, para evitar un rápido endurecimiento. Cuando el cemento se introduce primero, se forman bolas de cemento, lo mismo pasa cuando las hélices están gastadas, o cuando los agregados o el cemento están calientes, o por exceso de tiempo del mezclado. Los aditivos líquidos se deben cargar con el agua; los aditivos en polvo junto con los agregados; pero deben atenderse la recomendación del fabricante. Si se usa un aditivo retardador, deberá añadirse siempre el mismo tiempo dentro del ciclo de carga, para evitar variaciones importantes en el tiempo del fraguado inicial y en el porcentaje de aire incluido. Ilustración 23. Mezclado de los agregados. El concreto se mezcla algunas veces, en la obra, en mezcladoras estacionarias que están disponibles en tamaños que varían de 2 pies cúbicos a 12 yardas cúbicas; pueden ser o no del tipo basculante, de tambor de aspas giratorio o de rotor de aspas. Todos los tipos pueden estar equipados con tolvas de carga y algunas están equipadas con un canalón de descarga oscilatorio. La carga en las mezcladoras, no deberá ser mayor que su capacidad de régimen y deberán hacerse funcionar aproximadamente a las velocidades para las que fueron proyectadas. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 30 Ilustración 24. Revolvedora manual para 1 saco de cemento. Ilustración 25. Revolvedora de motor para 2 sacos de cemento. Ilustración 26. Revolvedora de motor para 5 bultos de cemento. Ilustración 27. Revolvedora de motor para 10 sacos de cemento. El aumento de producción, deberá obtenerse con mezcladoras mayores o en mayor numero, pero no aumentando su velocidad ni sobrecargando el equipo. Si se gastan las aspas de la mezcladora, deberán cambiarse y quitar el concreto endurecido, de preferencia después de cada turno de fabricación de concreto. Muchas mezcladoras estacionarias están provistas de equipos marcadores de tiempo; en muchas de éstas puede marcarse y fijarse el tiempo, de manera que descargue hasta que haya transcurrido el tiempo fijado. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 31 TIEMPO La mayor parte de las especificaciones, estipulan un tiempo mínimo de 1 minuto para las mezcladoras estacionarias, hasta una capacidad de 1 yarda cúbica, aumentando 15 seg. por cada yarda cúbica adicional, de capacidad. Cuando es a capacidad llena, el tiempo de mezclado será de 7min. y máximo de 30min.; si en este tiempo el camión no ha llegado a la obra se continuará la rotación del tambor a velocidad de agitado: 2 a 6 rpm. Si el tiempo de tránsito ≥ 1 hr., se reanudará la revoltura durante 3 min. a velocidad de mezclado: 10 a 12rpm, para eliminar la segregación. El tiempo de mezclado debe medirse a partir del momento en que todos los materiales sólidos están en el tambor de la mezcladora, siempre y cuando el agua se añada antes de que haya transcurrido la cuarta parte del tiempo de mezclado. Al menos ¾ del tiempo de mezclado debe tener lugar después de que toda el agua ha sido incorporada. Deberá colocarse en el tambor hasta aproximadamente el 10% del agua de mezcla, antes de añadir los materiales sólidos. Luego se añade uniformemente con los materiales sólidos, dejando aproximadamente el 10% para añadirlo cuando todos los demás materiales están en el tambor. Cuando hay tiempo de frío se usa agua caliente; puede ser necesario cambiar esta orden de carga, para evitar un rápido endurecimiento. En este caso, la adición del cemento deberá retrasarse, hasta que la mayor parte del agregado y del agua se hayan entremezclado en el tambor. Cuando la mezcladora se carga directamente de las dosificadoras, los materiales deben añadirse simultáneamente con la rapidez necesaria, de manera que el tiempo de carga sea aproximadamente el mismo. Si la mezcladora está sucia, lo cual no está permitido, se requiere mayor tiempo. El contenido total de aire (el atrapado y el incluido) aumenta en 1% cuando se ocupa el tiempo máximo de mezclado, permanece constante en los 5min. siguientes, después de este tiempo el aire se pierde gradualmente. Es recomendable desechar la revoltura, si el tiempo de tránsito ≥ 1.5 hrs. ó si el odómetro de la olla marca más de 300 revoluciones, si el mezclado se hizo totalmente en la planta, o después de que se completó la cantidad de agua y el mezclado se terminó en el camión. Si el usuario no está preparado para recibir el premezclado a la hora convenida, el fabricante tiene la obligación de esperar hasta media hora a velocidad de agitado (2 a 6 rpm), cumpliendo todavía las limitaciones de revenimiento máximo y contenido de aire. Es preferible que al llegar el camión a la obra, se incorporen los aditivos, dosificando de acuerdo al volumen de la entrega y a la cantidad de cemento por m3 de concreto. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería yArquitectura 32 ACARREO Cada etapa del manejo del concreto, transporte y colado, deben controlarse cuidadosamente para mantener uniformidad dentro de la revoltura, de manera que la obra completa resulte consistente en toda su extensión. El tipo de método usado para transportar el concreto, depende de cuál es el menor costo y el más fácil para el tamaño de la obra. El método más común de transportar el concreto es, el de usar camiones mezcladores o agitadores. Cuando se usa un camión mezclador como agitador, puede cargarse a la capacidad de agitador indicada. Esta es de 30-35%. Al transportar el concreto, la unidad revolvedora se mantiene en constante rotación, con una velocidad de 2 a 6 vueltas por minuto; o bien no debe ser menor de 8 rpm. Ilustración 28. Camión mezclador o unidad revolvedora La distancia dependerá de la condición que tenga el concreto fresco y de lo parejo de los pavimentos, sobre los que se tendrá que transportar. Su uso debe limitarse a aquellos casos, en los que puedan entregarse revolturas de concreto uniformes satisfactoriamente, sin segregación; es decir, la cantidad a transportar, debe ser cuidada como sea posible para reducir los problemas de segregación y desperdicio. TIPOS DE TRANSPORTE Las unidades utilizadas para realizar el transporte del concreto son: Camión revolvedor: Unidad con capacidad para transportar 7.5m3 de concreto premezclado. Mini-Mixer: Unidad para accesos restringidos, con capacidad para trasportar 3 m3 de concreto premezclado Camión revolvedor Paver: Unidad especializada para proyectos de pavimentos de concreto, capacidad para transportar 8m3 de concreto premezclado Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 33 Camión revolvedor bomba: Unidad para transportar concreto premezclado con capacidad de 7.5 m3 y con módulo de bombeo integrado. Se debe evitar la segregación. No se deberá permitir el uso de camiones de volteo para transportar mezclas demasiado fluidas o muy secas, o cuando el tiempo de transporte sea excesivo, o se pierda más de 2.5 cm. de revenimiento, o cuando el concreto sea para bombear. Entre el vertido de la mezcla en la artesa de la obra y su colocación en la cimbra, el tiempo debe ser ≤ a 30min., a menos de usar retardantes; cuando se usen acelerantes o cemento tipo III, se deberá lograr la máxima rapidez en el colado. Cuando el transporte dentro de la obra se hace a base de cubos de 20 lts. y peones cargadores, conviene limitar el llenado de los camiones mezcladores a un máximo de 4 ó 5 m3 por entrega. RELACION AGUA-CEMENTO La relación agua cemento (A/C) es el peso del agua dividido entre el peso del cemento. Ilustración 29. Relación agua-cemento. A/C= Agua es decir, 20 lts. = 0.5 Cemento 40 lts. Mientras menor es la relación, más resistente es el concreto. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 34 PROPORCIONAMIENTO Una mezcla de concreto, se diseña para producir concreto que pueda ser colocado fácilmente al menor costo. El concreto debe ser trabajable y cohesivo cuando está fresco. Una vez fraguado, endurece para dar un concreto resistente y durable. El diseño de la mezcla debe considerar el medio ambiente al que estará expuesto el concreto. Las propiedades de cada material y la mezcla afectan las propiedades del concreto endurecido. A medida que se incrementa el contenido de cemento, también se incrementa la resistencia y durabilidad. Por tanto, para incrementar la resistencia, se debe incrementar el contenido de cemento de una mezcla. Con respecto al contenido de agua, como consecuencia de agregar más agua a la mezcla, se obtiene un concreto menos resistente. A medida que se incrementa la relación agua cemento, la resistencia y durabilidad del concreto endurecido disminuyen. Para incrementar la resistencia y durabilidad del concreto, se debe reducir la relación agua cemento. Un agregado demasiado grueso, da una mezcla áspera y pedregosa. Después de la compactación los agregados sobresalen. Ilustración 30. Uso de agregado muy grueso Si se usa demasiado agregado fino, da una mezcla pegajosa y después de la compactación, no deja agregado en la parte superior. Ilustración 31. Uso de agregado fino Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 35 COLADO Cuando se descarga el concreto de la mezcladora, se deben tomar precauciones para evitar la segregación, por la caída sin control por el canalón. Esa segregación es más fácil que ocurra cuando se utilizan mezcladoras no inclinables con canalones de descarga que permiten el paso de concreto en corrientes más pequeñas que con las mezcladoras inclinables. Ilustración 32. Vertido del concreto La descarga de los canalones, bandas o tubos de caída, se hará mediante un embudo troncocónico, llamado trompa de elefante, colocado verticalmente, de 60cm. mínimo de longitud, cuyo extremo inferior permita una caída libre de 1.20 m. o menos. Cuando el concreto es colocado directo del camión, se verterá verticalmente y no permitirá que el concreto caiga de una altura mayor a 1 ½ m. para evitar la segregación. Siempre se verterá el concreto nuevo sobre el concreto que ya está en su lugar. Al colocar el concreto, debe tenerse mucho cuidado en no dañar o mover las cimbras y el acero de refuerzo. Deberá colocarse tan cerca de la posición final como sea posible; empezando a colocar el concreto desde las esquinas de la cimbra o, en el caso de un sitio con pendiente, desde el nivel más bajo. La cimbra debe resistir la presión del concreto que se vacíe en ésta. Es recomendable, en la medida que sea posible, efectuar los colados en las horas del día en que las condiciones ambientales resulten menos adversas. Inclusive, puede ser conveniente la realización de colados nocturnos si se dispone de facilidades adecuadas. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 36 Ilustración 33. Vertido del concreto COMPACTACION La compactación o consolidación del concreto, es la operación por medio de la cual se trata de densificar la masa, todavía blanda, reduciendo a un mínimo la cantidad de vacíos. Estos vacíos en la masa provienen de varias causas, de las cuales las dos mas importantes son el llamado aire atrapado, y las vacuolas producidas por la evaporación de parte del agua de amasado. Después de que el concreto ha sido mezclado, transportado y colado, contiene aire atrapado en forma de vacíos. El objeto de la compactación, es eliminar la mayor cantidad posible de este indeseable aire; lo ideal es reducirlo a menos del 1 %, (por supuesto, esto no procede cuando hay inclusión deliberada de aire, pero en este caso, el aire es estable y está distribuido uniformemente.) Existen numerosos procedimientos para disminuir ese conjunto de vacíos. La selección de cada uno de ellos, dependerá de las características del concreto y del tipo de estructura que se esté construyendo. Pero el propósito en todos ellos es el mismo, llenar las formas geométricas de los encofrados con una masa densa; adherir esa misma masa a la superficie longitudinal de todas y cada una de las barras metálicas del refuerzo, y poner en contacto absoluto, sin vacíos internos, a todos los componentes del concreto. Los métodos de densificación del concreto los podemos dividir en dos grupos: Compactación Manual. La compactación manual fue la primera en la historia del material y se efectuaba con barras o pisones. Con ellos se golpea verticalmenteel concreto, penetrándolo si es con barra o aplastándolo si es con pisón. El grado de compactación que se obtiene con la barra no es elevado, por la condición del material de ser prácticamente confinado ante la desproporción de la separación de las paredes del encofrado y el calibre de la barra golpeadora. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 37 Ilustración 34. Compactación manual Compactación por vibrado. La masa del concreto se hace vibrar, con lo cual el material se fluidifica y permite su acomodo al molde, envolviendo las armaduras. Se expulsa gran cantidad del aire atrapado, se hacen subir a la superficie parte del agua con funciones de lubricación y se unifica la masa eliminando vacuolas y planos de contacto. El vibrador para concreto fue implantado en 1927 por el técnico francés Deniau, y en 1936 el ACI publicó el primer documento con recomendaciones para su uso. VIBRADO El paleado, incluso el apisonamiento con el pie, son medios útiles para eliminar el aire del concreto y compactarlo, pero la mejor manera y la más rápida es la vibración. Cuando una mezcla de concreto es vibrada, se "fluidifica" y se reduce la fricción interna entre las partículas de agregados. Esta fluidificación hace que el aire atrapado, surja a la superficie, y que el concreto se compacte. Tipos de Vibrado Vibración interna o el vibrado interno. Se hace con un vibrador mecánico o un vibrador de flecha flexible (o de chicote), el cual se pone dentro del concreto y lo vibra desde el interior. Método: Se deberá asegurar de que haya suficientes trabajadores, de modo que algunos puedan compactar o vibrar mientras que otros continúan colocando el concreto. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 38 Ilustración 35. Vibrado del concreto. El vibrador se pondrá dentro del concreto rápidamente. Posteriormente se sacará el vibrador lentamente, ya que si no se hace así pueden dejarse huecos o un punto débil mal compactado en el concreto. Ilustración 36. Colocación de vibrador. Ilustración 37. Retiro del vibrador. La vibración oscila entre 4000-8000 vibraciones por minuto, dependiendo su uso, mientras la cabeza del vibrador esté sumergida en el concreto. El tamaño del vibrador determina cuánto concreto es vibrado cada vez. El área vibrada en cada ocasión, se llama Radio de acción. Esto puede verse observando cual es el radio que forman las burbujas de aire que expulsa a la superficie. El radio de acción será más grande con un vibrador más grande y se logra un concreto más trabajable. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 39 Ilustración 38. Radio de acción. Siempre se debe compactar en un patrón definido, de modo que el radio de acción se traslape y cubra toda el área del concreto. Ilustración 39. Forma de vibrado. El vibrador debe ser lo suficientemente largo para penetrar en la capa inferior. Ilustración 40. Proporción de la longitud del vibrador. Vibrado Externo. En este procedimiento, el equipo vibrante se coloca sobre una o varias caras del molde o encofrado que, en esa forma, recibe directamente las ondas y las transmite a la masa de concreto. Su campo de acción mas frecuente es en la prefabricación donde, en general, se emplean concretos de resistencias secas. Ante la vibración del encofrado, que debe ser metálico, fundamentalmente, la masa de concreto responde en función de su granulometría y de la cantidad de agua que contenga. El mortero acepta los pequeños movimientos de acomodo de los granos gruesos, pero restringe los desplazamientos excesivos. Si la viscosidad del mortero no fuera la adecuada, el agregado grueso podría llegar a segregarse. Cuando la función del vibrado externo ha terminado, aparece sobre la superficie del concreto una capa brillante y húmeda. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 40 La efectividad de este procedimiento de vibración, depende de la aceleración que sea capaz de transmitir el encofrado a la masa de concreto. Existen algunas relaciones empíricas que permiten determinar la fuerza centrífuga, que deberá ser desarrollada por los vibradores de encofrado, para garantizar una adecuada compactación. Mesa Vibrante. Es un procedimiento de compactación utilizado, principalmente, en las plantas de prefabricación. El movimiento de la mesa se logra por medio de la acción de un conjunto de vibradores sincronizados. Se deberá calcular la fuerza centrífuga que debería desarrollar cada vibrador, en función del peso de la mesa, del encofrado y de la masa del material. Reglas Vibratorias. Para cierto tipo de obras, especialmente pavimentos, se suele emplear el sistema de vibrado por circulación de reglas vibratorias que, al deslizarse al ras de la superficie, transmiten el movimiento al resto de la masa y generan los efectos beneficiosos del escape del aire y de la densificación. Puede transmitir su acción a capas de hasta 20 cm. de espesor. Las reglas vibratorias deben correr, apoyadas sobre rieles y no apoyadas directamente sobre la masa blanda. CURADO El curado es el mantenimiento de un adecuado contenido de humedad y temperatura en el concreto a edades tempranas, de manera que este pueda desarrollar las propiedades para las cuales fue diseñada la mezcla. El curado comienza de 2.5 hrs. después del colado, de manera que el concreto pueda desarrollar la resistencia y la durabilidad deseada. Sin un adecuado suministro de humedad, los materiales en el concreto, no pueden reaccionar para formar un producto de calidad. El secado puede eliminar el agua necesaria para esta reacción química, denominada hidratación y por lo cual el concreto no alcanzará sus propiedades potenciales. Se deberá mantener en concreto húmedo durante 7 días para temperaturas superiores a 5º C, y no menos de 3 días a temperaturas normales de 21º a 25º C. si se usa cemento tipo II, IV, V o puzolánico duplíquese el tiempo y si usa cemento tipo III, tómese la mitad del tiempo señalado. La temperatura es un factor importante en un curado apropiado, basándose en la velocidad de hidratación y por lo tanto, el desarrollo de resistencias es mayor a más altas temperaturas. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 41 Ilustración 41. Curado del concreto El concreto bien curado, tiene mejor dureza superficial y resistirá mejor el desgaste superficial y la abrasión. El curado también hace al concreto más impermeable al agua, lo que evita que la humedad y las sustancias químicas disueltas en agua entren dentro del concreto; en consecuencia, se incrementa la durabilidad y la vida de servicio. El curado apropiado reduce el resquebrajamiento o cuarteo, la pulverización y el descascaramiento. El concreto debe ser protegido de la pérdida de humedad hasta concluir el acabado, empleando métodos adecuados. Después del acabado final, la superficie del concreto debe permanecer continuamente humedecida o sellada, para evitar la evaporación por un período de varios días después del acabado. Ilustración 42. Curado de concreto (acabado final) Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 42 PROPIEDADES Estados del Concreto El concreto tiene tres estados diferentes: plástico, fraguado y endurecido. Cada estado tiene propiedades diferentes; dichas propiedades son la trabajabilidad, cohesividad, resistenciay durabilidad. Estado fresco: Al principio el concreto parece una masa. Es blando y puede ser trabajado o moldeado en diferentes formas. Así se conserva durante la colocación y la compactación. Las propiedades más importantes del concreto fresco son la trabajabilidad y la cohesividad. Estado fraguado: Después, el concreto empieza a ponerse rígido. Cuando ya no está blando, se conoce como Fraguado del concreto. El fraguado tiene lugar después de la compactación y durante el acabado. El concreto que está aguado o muy mojado, puede ser fácilmente colocado pero será más difícil darle un acabado. Estado endurecido: Después de que el concreto ha fraguado, empieza a ganar resistencia y se endurece. Las propiedades del concreto endurecido son resistencia y durabilidad. PROPIEDADES DEL CONCRETO Trabajabilidad. Es la facilidad con la cual pueden mezclarse los componentes del concreto, y la mezcla resultante pueda manejarse, transportarse y colocarse con poca pérdida de la homogeneidad. El concreto rígido o seco puede ser difícil de manejar, colocar, compactar y acabar, y si no se construye apropiadamente no será resistente o durable cuando finalmente haya endurecido. La prueba de revenimiento sirve para medir esta propiedad. La trabajabilidad es afectada por la cantidad de pasta de cemento, que es la parte más blanda o líquida de la mezcla de concreto. Mientras más pasta se mezcle con los agregados grueso y fino, más trabajable será la mezcla. Otra causa por la que se ve afectada es por la granulometría del agregado, ya que deben ser bien graduados, lisos y redondos. Resistencia y durabilidad. El concreto bien hecho, es un material naturalmente resistente y durable. Es denso, razonablemente impermeable al agua, capaz de resistir cambios de temperatura, así como también resistir desgaste por intemperismo. La resistencia y la durabilidad son afectadas por la densidad del concreto. El concreto más denso es más impermeable al agua. La durabilidad del concreto se incrementa con la resistencia. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 43 El concreto bien hecho es importante para proteger el acero en el concreto reforzado. La resistencia del concreto en el estado endurecido, generalmente se mide por la resistencia a compresión, usando la prueba de resistencia a la compresión. También se ven afectadas por la compactación, que significa remover el aire del concreto. La compactación apropiada da como resultado, concreto con una densidad incrementada, que es más resistente y más durable. PRUEBAS DEL CONCRETO REVENIMIENTO Este tipo de prueba muestra la trabajabilidad del concreto. La trabajabilidad es una medición de qué tan fácil resulta colocar, manejar y compactar el concreto. La prueba de revenimiento, se hace para asegurar que una mezcla de concreto sea trabajable. La muestra medida debe estar dentro de un rango establecido, o de tolerancia, del revenimiento pretendido. Para realizar dicha prueba se necesitarán las siguientes herramientas: Cono estándar de revenimiento (10 cm. de diámetro en la parte superior x 20cm de diámetro en la parte inferior x 30 cm. de altura). Cucharón pequeño Varilla con punta redondeada (60cm de largo x 16mm de diámetro) Regla Placa para prueba de revenimiento (50cm x 50cm) Ilustración 43. Herramientas para prueba de revenimiento. El método será el siguiente: El cono deberá estar limpio, humedecido con agua y colocado sobre la placa de revenimiento. La placa para la prueba de revenimiento debe estar limpia, firme, nivelada; no debe ser absorbente. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 44 Posteriormente obtener una muestra como lo indica la siguiente ilustración: Ilustración 44.Obtención de muestra para prueba Colocarse firmemente sobre los estribos y llenar con la muestra un 1/3 del volumen del cono. Ilustración 45. Muestra dentro del cono de revenimiento Compactar el concreto varillando 25 veces (varillando, significa empujar una varilla dentro del concreto para compactarlo con el cono de revenimiento. Varillar Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 45 en un patrón definido, trabajando desde la parte exterior hacia la parte de en medio). Ilustración 46.Varillado Después llenar a 2/3 y nuevamente varillar 25 veces, justo hasta la parte superior de la primera capa. Llenar hasta que empiece a desparramarse, varillando nuevamente; esta vez justo hasta la parte superior de la segunda capa. Colmar el cono hasta que se desparrame. Nivelar la superficie con la varilla de acero como una acción de rodillo. Limpiar el concreto que quede alrededor de la base y de la parte superior del cono, empujar hacia abajo sobre las asas y dejar de pisar los estribos. Ilustración 47.Nivelación de muestra. Levantar cuidadosamente el cono en dirección recta hacia arriba, asegurando de que no se mueva la muestra. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 46 Ilustración 48. Retirando el cono. 1) Colocar el cono al revés y poner la varilla a través del cono volteado Ilustración 49. Colocación de cono para toma de lectura. 2) Tomar varias mediciones y hacer un reporte de la distancia promedio entre la varilla y la parte superior de la muestra. Ilustración 50.Toma de lecturas. 3) Si la muestra falla por estar fuera de la tolerancia (es decir, el revenimiento demasiado alto o bajo), debe tomarse otra muestra. Si también falla, la cantidad restante de la mezcla debe ser rechazada. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 47 Ilustración 51. Efectos del revenimiento PRUEBA DE RESISTENCIA A LA COMPRESION PREPARACION DE ESPECIMENES La prueba de compresión muestra la resistencia a compresión del concreto endurecido. Esta prueba se hace en un laboratorio fuera del lugar de la obra. El único trabajo en la obra, es hacer un cilindro de concreto para dicha prueba. La resistencia se mide en kg/cm2 Mega-pascales (Mpa) y comúnmente especifica como una resistencia característica del concreto medido a los 28 días después del mezclado. La resistencia a compresión, es una medida de la capacidad del concreto, para resistir cargas que tienden a aplastarlo. Para realizar dicha prueba se necesitarán las siguientes herramientas: Cilindros de 15cm de diámetro x 30cm de altura Cucharón pequeño Varilla con punta redondeada (60cm x 16mm) Llana de acero Placa de acero Ilustración 52. Herramientas para prueba de compresión. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 48 El método será el siguiente: 1) Limpiar los moldes cilíndricos y untar ligeramente el interior con aceite para moldes, luego colocarlo en una superficie limpia, nivelada y firme, es decir la placa de acero. 2) Obtener una muestra como se observa en la siguiente ilustración: Ilustración 53. Elaboración de muestra. 3) Llenar ½ del volumen del molde con concreto y luego compactar varillando 25 veces. Los cilindros también pueden ser compactados por vibración usando una muestra vibratoria. Ilustración 54. Cilindro con ½ del volumen de cilindro de muestra. Tecnología de los materiales Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura 49 4) Llenar el cilindro hasta que desparrame y varillar 25 veces hasta la parte superior
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