Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Construcciones
Departamento de Ingeniería Civil
TRABAJO DE DIPLOMA
Título: Diseño y fabricación de hormigones hidráulicos con un cemento de
bajo carbono LC3 con arcillas del yacimiento El Yigre.
Autor: Ernesto Antonio Medina Sánchez.
Tutor: Dr.Cs José F. Martirena Hernández.
Ing. Abdel Pérez Hernández.
Consultante: Dr. Ing. Raúl González López.
Santa Clara.
2016
I
PENSAMIENTO.
Bueno es ir a la lucha con determinación, abrazar la vida y
vivir con pasión, perder con clase y vencer con osadía, porque
el mundo pertenece a quien se atreve y LA VIDA ES
MUCHO para ser insignificante"
Charles Chaplin.
II
DEDICATORIA.
A papa por ser tú, siempre guía y determinación en todo lo bueno
que he hecho, todos mis éxitos y resultados te los dedico a ti donde quiera que estés.
III
AGRADECIMIENTOS.
A mi madre por enseñarme a luchar y a aprender de la vida.
A mi padre por defenderme en los momentos más difíciles.
A mi familia por su apoyo incondicional durante estos años difíciles de
estudio.
A Tati y Vladi por ser mis segundos padres y apoyarme siempre que los
necesité.
A Alián por compartir conmigo todas esas alegrías y hacerme olvidar el
estrés del estudio.
A Yeily por su apoyo infinito y su completa dedicación hacia mí, por
velar que nunca me faltara cariño y comprensión.
A Débora por estar siempre al tanto y por apoyarme en todo lo que
necesité.
A Frandi mi agradecimiento infinito por su ayuda y tiempo empleado
en la realización de los ensayos.
A mi tutor Abdel por sus horas de dedicación en tos trabajos de la
Habana.
IV
A Martirena por confiar en mí a la hora de formar parte de su equipo de
trabajo.
A Raúl González por sus horas de dedicación y por sus valiosos aportes
y consejos sin los cuales este trabajo no hubiese sido posible.
Al personal del laboratorio de materiales: Felipe y Yoel los cuales me
brindaron un gran apoyo en los trabajos de hormigonado. Gracias
Felipe por tus horas extras con jornadas de trabajo de hasta 11 horas.
Gracias a mis profesores que me formaron académicamente de la mejor
manera posible, el perdón por alguna vez haberlos tildado de demasiado
exigentes, el haber tenido profesores rigurosos como ustedes, es lo mejor que me
pudo haber pasado en mi formación como ingeniero.
A mis compañeros de todos estos años de estudios por transitar a mi lado y
apoyarme siempre en lo que fuera en especial a la Kiki, Mara , Javier,
Carlos , el Kapi, Chuchi, Dayana, Lisabeth, la negrita Neisis,
Yoana, Ernesto, Miguel, Liset, Yisel, Abdel, Viviana entre otros,
sin los cuales estos años no hubiesen sido tan especiales.
A Gomara por haberme brindado esta gran oportunidad y por confiar
en mí.
A todos mis más sinceros agradecimientos.
V
VI
RESUMEN.
En el presente trabajo se evalúa la resistencia a compresión de hormigones
elaborados con cemento de bajo carbono LC3 con sustitución del clínquer hasta
un 50 %, de arcillas calcinadas y calizas. Las arcillas empleadas para la
fabricación del cemento son procedentes del yacimiento el Yigre y los cementos
empleados son de origen semi industrial, molidos en Centro de Investigación y
Desarrollo de la Construcción (CIDC) en la provincia de la Habana. Para la
caracterización mecánica de los hormigones se realizan ensayos de resistencia a
compresión a 3, 7, y 28 días de edad a especímenes de 10x20 cm elaborados con
LC3 y los patrones, confeccionados con cemento portland. El diseño de mezclas
fue realizado a través del método de Toufar, del cual fueron reajustadas las
cantidades de cementos según establece la norma cubana de durabilidad,
variando la relación a/c desde 0.4 hasta 0.55 así como los contenidos de
cementos. En total se realizaron un total de 4 mezclas por tipo de cemento.
VII
ABSTRACT.
This work evaluated the concrete compressed endurance elaborated with low
carbon cement LC3, substituting Clinker up to 50% of burn clay and limestone. The
clays used in the construction of this cement comes from el Yigre deposit, and the
kind of cement used is of semindustrial origin crushed at the investigation and
development construction center (CIDC in spanish) in Havana province. For the
concrete mechanical characterization there where made some compress
endurance rehearsal when 3, 7 and 28 days of age to some specimens of 10x20
cm elaborated with LC3 and the standard with Portland cement. The mixture
designed was done through Toufar method from which the quantity of cement was
readjusted according to the Cuban rule, heaving a difference relation w/c from 0.4
to 0.55 such as the ones contained in cement. In all these were made 4 mixtures
for type of cement.
VIII
Contenido
PENSAMIENTO. ............................................................................................................................... I
DEDICATORIA. ............................................................................................................................... II
AGRADECIMIENTOS. ..................................................................................................................... III
RESUMEN. .................................................................................................................................... VI
ABSTRACT. ................................................................................................................................... VII
INTRODUCCIÓN. ............................................................................................................................ 1
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE CEMENTOS TERNARIOS PARA
SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE HORMIGÓN HIDRÁULICO. ................................................ 6
1.1 Características de la producción de cemento. .................................................... 6
1.1.1 Actualidad de la producción mundial ...................................................................... 6
1.2 Una alternativa sustentable: los materiales cementicios suplementarios. .... 7
1.2.1 Puzolanas. ............................................................................................................... 8
1.2.2 Arcillas calcinadas. .................................................................................................. 9
1.2.3 El sistema clínquer- arcilla calcinada-carbonato de calcio. ..................................... 12
1.3 El hormigón como material de construcción. .................................................... 13
1.3.1 Características y comportamiento del hormigón. .................................................. 14
1.3.1.1 Fraguado y endurecimiento. ...................................................................... 14
1.3.1.2 Consistencia................................................................................................ 15
1.3.1.3 Laborabilidad y homogeneidad. ................................................................ 16
1.3.1.4 Resistencia. ................................................................................................. 17
1.3.1.5 Durabilidad. ................................................................................................. 18
1.4 Métodos de dosificación para el diseño de mezclas de hormigón. ............... 20
1.4.1 Métodos teóricos y analíticos. ............................................................................... 22
1.4.1.1 Métodos basados en el contenido de cemento. ...................................... 22
1.4.2.2 Métodos basados en la resistencia a compresión. .................................. 24
1.4.2.3 Métodos de dosificación experimentales. ................................................ 26
1.5 Modelación del diseño para la dosificación de mezclas de hormigón. ........ 28
1.5.1 Optimización de las dosificaciones de mezclas de hormigón.................................. 28
1.5.2 Granulometría. ..................................................................................................... 28
1.5.3 Contenido mínimo de vacíos. ................................................................................ 31
1.5.4 Diseños mediante el uso de programas computacionales. Método de Toufar........ 32
IX
1.6 Conclusiones parciales. ......................................................................................... 34
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO DE BAJO CARBONO DE
ORIGEN SEMI INDUSTRIAL. .......................................................................................................... 36
2.1 Generalidades. ......................................................................................................... 36
2.2 Materiales. ................................................................................................................. 36
2.2.1 Cemento. .............................................................................................................. 37
2.2.2 Áridos. .................................................................................................................. 38
2.2.2.1 Árido grueso. ............................................................................................... 38
2.2.2.2 Granito ......................................................................................................... 40
2.2.2.3 Árido fino. .................................................................................................... 42
2.2.3 Agua. .................................................................................................................... 44
2.2.4 Aditivo químico. .................................................................................................... 44
2.3 Diseño experimental de la investigación. ........................................................... 46
2.3.1 Variables Independientes. ..................................................................................... 46
2.3.2 Variables dependientes ......................................................................................... 47
2.3.3 Procedimientos. .................................................................................................... 47
2.4 Diseño de mezclas. .................................................................................................. 48
2.5 Preparación, mezclado, transporte y vertido de los constituyentes del
hormigón. .............................................................................................................................. 51
2.5.1 Ensayos físico-mecánicos y químicos utilizados. .................................................... 51
2.5.2 Elaboración de hormigón. ..................................................................................... 52
2.5.3 Chequeo de consistencia. ...................................................................................... 52
2.5.4 Evaluación de especímenes del hormigón endurecido........................................... 53
2.5.5 Curado de las probetas. ........................................................................................ 54
2.5.6 Resistencia mecánica a compresión a edades de 3; 7 y 28 días. ............................. 54
2.6 Conclusiones parciales. ......................................................................................... 55
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. .................................................................. 57
3.1 Resultados de los ensayos realizados al hormigón fresco. ........................... 57
3.2 Resultado de los ensayos de resistencia a compresión. ................................ 58
3.3 Conclusiones parciales. ......................................................................................... 65
CONCLUSIONES GENERALES. ........................................................................................................ 67
RECOMENDACIONES. ................................................................................................................... 68
X
BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................. 69
Anexos. ........................................................................................................................................ 76
INTRODUCCIÓN.
1
INTRODUCCIÓN.
El cemento Portland (CPO) constituye uno de los materiales de construcción más
empleados y de mayor nivel de producción a escala mundial (Alujas, 2010). Sus
elevados volúmenes de producción se asocian a un elevado gasto energético y
grandes niveles de emisión de CO2 durante su elaboración, la industria del
cemento es la responsable de entre un 5 y un 8 % de las emisiones del CO2 a
nivel mundial. La producción de 1 tonelada de cemento Portland requiere
aproximadamente 4 GJ de energía, y su fabricación libera aproximadamente 1
tonelada de dióxido de carbono a la atmósfera(Mehta, 2001.). En la actualidad
existe un gran interés en reducir las emisiones de CO2 en la producción de
cemento, y en especial en los últimos 30 años, para ello la industria del cemento
se ha trazado tres medidas fundamentales:
- Mejoramiento de la eficiencia energética.
- Utilización de combustibles de más bajo contenido de carbono.
- Uso de extensores que disminuyan el porcentaje de clínquer en el cemento.
En Cuba, la industria del cemento, se ha convertido en la mayor consumidora de
recursos energéticos, por esta razón se buscan vías para disminuir las
afectaciones que provoca la producción de este material, tanto a la economía
como al medio ambiente. La sustitución de un porcentaje del clínquer a partir del
empleo de materiales cementicios suplementarios(MSC), ha sido reconocida como
la vía más efectiva para reducir las emisiones de CO2 y los gastos energéticos
asociados a la fabricación del cemento, al mismo tiempo que pueden mejorar o
mantener sus propiedades físico mecánicas y químicas. Análisis preliminares
indican que podría reducirse el gasto en la producción del cemento hasta en un 35
o 40 % del actual.
Un equipo de investigación interdisciplinario, cubano-suizo, perteneciente al
Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales de la Universidad
Central "Marta Abreu" de las Villas, CIDEM y el Laboratorio de Materiales de
Construcción (LMC) perteneciente a la Escuela Politécnica Federal de Lausana(
INTRODUCCIÓN.
2
EPFL), trabaja desde 2005 en la activación térmica de arcillas caoliníticas cubanas
de bajo grado y evalúa el contenido de calolinita de estas con el objetivo de
obtener arcillas calcinadas con algún porciento de metacaolín, el cual puede ser
empleado como sustitución del clínquer hasta en un 60 %. Este cemento se
denomina “cemento de bajo carbono” (CBC) (Andrés, 2014), por sus
considerables ahorros en el consumo de energía y bajas emisiones a la atmósfera
asociadas. Con la introducción de este preliminar resultado, la industria cubana del
cemento pudiera colocarse a la vanguardia mundial en la producción ecológica de
cemento, lo cual sería una respuesta significativa a la demanda productiva que
impone el desarrollo actual y futuro del país.
El uso fundamental del cemento es la producción de hormigón que es una mezcla
íntima y homogénea de áridos finos, áridos gruesos, cemento y agua en las
debidas proporciones para que fragüe y endurezca. Teniendo en cuenta que
muchas de las características del cemento de bajo carbono son diferentes a las
del cemento Portland, es necesario hacer un estudio para encontrar las
proporciones adecuadas de sus componentes.
Dentro de este contexto, en la presente investigación se plantea como problema
científico:
¿Cómo influye en el comportamiento de la resistencia a compresión del hormigón
hidráulico a diferentes edades el empleo de un cemento de bajo carbono
producido con sustituciones de hasta un 50 % del clínquer por arcillas calcinadas
del yacimiento El Yigre, Yaguajay y calizas?.
Para dar cumplimiento a tal problemática se traza así la siguiente hipótesis:
Si se fabrica un hormigón hidráulico a partir del empleo con cemento de bajo
carbono con sustitución del 50% del clínquer (arcillas calcinadas del Yigre -
calizas) se logra un comportamiento mecánico superior al hormigón confeccionado
con un cemento Portland P 35.
INTRODUCCIÓN.
3
El objetivo general de la investigación es:
Evaluar el comportamiento físico mecánico de hormigones a edades de 3; 7 y 28
días producidos con el cemento de bajo carbono, bajo diferentes regímenes de
curado, a partir de la sustitución del 50 % del clínquer del cemento Portland,
calcinada y caliza.
Objetivos específicos:
1. Fundamentar el papel de los cementos mezclados en la mejora de las
propiedades del hormigón, producido con adiciones minerales.
2. Diseñar las diferentes mezclas de hormigón con los constituyentes
seleccionados utilizando el método de Toufar.
3. Elaborar las diferentes mezclas de hormigón con cemento de bajo carbono
con 50% de sustitución del clínquer, variando la relación agua-cemento y
contenidos del aglomerante.
4. Analizar el comportamiento de la resistencia mecánica a compresión de los
hormigones producidos con CBC y P35.
Las tareas científicas a desarrollar son:
1. Búsqueda de información actualizada sobre el estado del arte de los
cementos mezclados y las propiedades de hormigones con materiales cementicios
suplementarios.
2. Diseño de mezclas utilizando el método de Toufar.
3. Producción de las diferentes mezclas de hormigón con los tipos de cemento
CBC y P 35.
4. Evaluación de la consistencia de las mezclas producidas con cemento CBC
y P 35 al variar la relación agua/cemento, el contenido y tipo de cemento.
5. Estimación de la resistencia a compresión de los especímenes elaborados
a la edad de 3,7 y 28 días.
6. Análisis comparativo de la resistencia a compresión obtenida en los
diferentes hormigones de CBC y P35.
INTRODUCCIÓN.
4
La novedad científica de este trabajo reside en el diseño (Toufar) y fabricación de
mezclas de hormigón hidráulico (con un cemento ternario de bajo carbono de
hasta un 50 % de sustitución del clínquer por arcillas calcinadas-calizas) de
similar comportamiento mecánico a las obtenidas con un cemento P35.
Los aportes del trabajo son los siguientes:
Teórico: Se presenta una recopilación de la información relacionada con el CPO y
cementos ternarios, así como los métodos de diseño de mezclas aplicados en la
actualidad para lograr un mejor empaquetamiento de los áridos. La información en
su mayoría ha sido obtenida de fuentes de los últimos cinco años y además varios
artículos nacionales e internacionales recientes en idioma inglés, principalmente
relacionados con el tema.
Práctico: Constituye un pilar fundamental para la elaboración futura a escala
industrial de hormigones utilizando CBC mediante un diseño adecuado, lo cual
puede disminuir los costos de producción del hormigón y cumplimiento de las
normativas vigentes.
Social: La validación del empleo del cemento de bajo carbono (con 50% de
sustitución del Clinker), a través de la producción de hormigones, justifica la
implementación de su producción local en el país. Ello ayuda a cubrir la actual
demanda en materia de construcción de los próximos años, respetando el medio
ambiente y reduciendo los costos de obtención y comercialización.
Estructura de la investigación:
Resumen.
Introducción: Estructura y caracterización del diseño de la investigación.
Capítulo I: Fundamentos teóricos sobre la fabricación de cementos
ternarios para su aplicación en la producción de hormigón hidráulico.
INTRODUCCIÓN.
5
En dicho capítulo se realiza un estudio actualizado de la literatura existente
con relación a los cementos mezclados y los diferentes diseños de mezclas de
hormigón hidráulico.
Capítulo II. Diseño y producción de hormigón con cemento de bajo carbono de
origen semi industrial.
Se realiza un análisis de las materias primas a emplear para la producción de
hormigón hidráulico, se efectúa el diseño de experimento y los diseños de mezclas
óptimos por el método de Toufar y se ilustra el proceso de hormigonado así como
la elaboración de probetas a ensayar.
Capítulo III: Análisis y discusión de resultados.
Se comparan los resultados obtenidos de los ensayos realizados a los hormigones
en estado fresco y endurecido con los realizados al patrón.
Conclusiones.
Recomendaciones.
Bibliografía.
Anexos.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
6
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
1.1 Características de la producción de cemento.
1.1.1 Actualidad de la producción mundial.
El cemento Portland (CPO) se encuentra entre los materiales más empleados y
con mayor nivel de producción a nivel mundial. A pesar de su relativamente bajo
consumo energético por tonelada producida en comparación con otros materiales
de construcción, sus altos volúmenes de producción lo hacen responsable de
cerca del 7% de las emisiones de CO2 de origen antropogénico a nivel mundial y
del 5% del consumo de energía en el sector industrial. Este material, fabricado
aproximadamente en 150 países y cuyo volumen de producción se concentra
fundamentalmente en Asia, Europa y Medio Oriente, es uno de los productos más
usados y con mayor nivel de producción internacional, por su gran versatilidad
para diferentes labores constructivas y su relativo bajo costo(MARTIRENA, 2003).
Desde el año 2006 las empresas cementeras producen más de 2 500 millones de
toneladas de cemento anuales y contaminan con más de 1 250 millones de
toneladas de CO2 reduciendo la emisión de calor al espacio y provocando un
mayor calentamiento del planeta (WORRELL, 2009).
La producción de clínker (materia prima fundamental del cemento portland)
representa el mayor consumo de energía y es responsable también de los
mayores volúmenes de emisiones de CO2. Múltiples han sido los estudios con el
fin de crear tecnologías más efectivas para la reducción de las mismas, la
sustitución parcial del clínquer por material cementicio suplementario, se reconoce
como la vía más eficaz para lograrlo, manteniendo y en ocasiones mejorando, las
propiedades físico-mecánicas y de durabilidad de los hormigones, convirtiéndose
en la alternativa más eficiente y sustentable para esta industria.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
7
1.2 Una alternativa sustentable: los materiales cementicios suplementarios.
En la actualidad, la inmensa mayoría de volumen de materiales cementicios
suplementarios empleados a escala global en la sustitución del clínker lo
constituyen subproductos del sector industrial donde se emiten altas cantidades
energía, con el elevado impacto ambiental asociado. Estos son las cenizas
volantes (subproducto de la quema del carbón en las plantas de generación
eléctrica), las escorias de altos hornos (subproducto de la industria siderúrgica), y
el humo de sílice (subproducto de la producción de silicio y ferrosilicio). Sin
embargo, se conoce que las reservas de estos materiales son insuficientes para
suplir a largo plazo su creciente demanda, además de que el acceso a estas
fuentes está limitado por factores económicos y regionales. Mientras tanto, otras
abundantes reservas de materiales puzolánicos permanecen sin explotación,
como las puzolanas naturales, la ceniza de la cáscara de arroz y las arcillas
activadas térmicamente (MARTIRENA, 2003, Alujas Díaz, 2010). Por ello se hace
necesaria la búsqueda y desarrollo de nuevas fuentes de materiales puzolánicos
que permitan el reemplazo parcial de significativas porciones de CPO en el
aglomerante, manteniendo o mejorando su resistencia y durabilidad, en la
antesala de un mercado donde los materiales de carácter puzolánico comenzarán
a ser explotados para ser empleados con mayor intensidad en la fabricación de
cemento. En este contexto, existe un marcado interés en el empleo de las arcillas
activadas térmicamente por constituir una potencial reserva natural de materiales
puzolánicos, con amplia disponibilidad en casi todas las regiones,
independientemente del grado de desarrollo económico(Alujas Díaz, 2010).
Las arcillas y el carbonato de calcio son las materias primas fundamentales en la
producción de cemento, así que la infraestructura de transporte para estas ya está
creada, e instalaciones para su procesamiento. Las reservas existentes de ambos
materiales, aunque no renovables, pueden ser explotadas hasta cierto punto sin
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
8
infringir un severo daño ambiental, y su disponibilidad excede la de cualquier otro
MCS conocido (Alujas Díaz, 2010).
1.2.1 Puzolanas.
En la normas (ASTM, 1992 la definición 618-78) plantea: "las puzolanas son
materiales silíceos, alumino-síliceos quienes por sí solos poseen poco o ningún
valor cementante, pero cuando se encuentran finamente divididos y están en
presencia de agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a
temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes".
Las puzolanas, según su origen, se clasifican en dos grandes grupos: las
naturales, tobas, piedra pómez, cenizas volcánicas, etcétera .Artificiales: cenizas
volantes, humo de sílice, escoria de altos hornos, etc. Pero también puede existir
un grupo intermedio constituido por puzolanas naturales que se someten a
tratamientos térmicos de activación, análogos a los que se aplican para obtener
puzolanas artificiales, con objeto de incrementar sus propiedades hidráulicas. Las
puzolanas contienen constituyentes que combinados químicamente con el
hidróxido de calcio a temperatura ambiente y en presencia de agua, dan lugar a
compuestos permanentemente insolubles y estables que se comportan como
conglomerantes hidráulicos.(SALAZAR, 2002, Morales, 2010, Megat, 2011).
En los cementos mezclados ocurre la transformación de la portlandita (hidróxido
de calcio) en hidro-silicato de calcio mediante la reacción puzolánica, la cual se
forma mediante la hidratación del cemento Portland, provocando la reducción del
desprendimiento de calor durante la hidratación y refinamiento de la porosidad en
la pasta de cemento. Esto permitió la obtención de materiales con aplicaciones
específicas como son los hormigones de altas resistencias, los de bajo calor de
hidratación, los resistentes a las expansiones causadas por la reacción álcalis –
sílice, el ataque de sulfatos y la elaboración de sellantes de grietas por
inyección(FELDMAN, 1984)).
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
9
El uso de puzolanas como adición al cemento trae grandes ventajas a los
hormigones, evita la exudación, la segregación, la retracción tanto hidráulica como
térmica , la expansión por cal libre y la reducción de la porosidad, aumentando la
estabilidad del hormigón frente a la fisuración, sulfatos y por la reacción álcalis-
agregado; y en cuanto a la durabilidad hace que los hormigones tengan un mejor
comportamiento frente a los ataques de las agua puras, ácidas, de mar, y a suelos
sulfatados, entre otras(SALAZAR, 2002).
Los materiales puzolánicos pueden ser utilizados como materia prima en la
fabricación del clínquer, aportando SiO2, A12O3 y Fe2O3 al crudo, por lo que
pueden reemplazar parcialmente a la arcilla y ser adicionados antes de entrar al
horno (en la molienda de las materias primas), en calidad de material
puzolánico.(MENA, 2013).
1.2.2 Arcillas calcinadas.
Bajo el término arcillas se engloba un extenso grupo de minerales cuyos
elementos predominantes son la sílice (Si), la alúmina (Al) y los Óxidos (O)
(BROWN, 1961). La presencia de estructuras cristalinas estables impide la
liberación de sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en la
reacción puzolánicas. Su estructura en forma de capas propensas al deslizamiento
y al agrietamiento, y la capacidad para inmovilizar grandes cantidades de
moléculas de agua en su superficie son factores que pueden afectar de forma
negativa la resistencia mecánica y la reología en un material cementicio, mientras
que su alta capacidad de adsorción de iones puede modificar la composición
química de las soluciones acuosas, afectando las propiedades tecnológicas del
hormigón(MULLER, 2005). Por lo tanto, las arcillas deben modificarse
estructuralmente para ser empleadas como materiales puzolánicos(Alujas Díaz,
2010).
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
10
Debido a la disponibilidad de arcillas caoliníticas en el país, se ha desarrollado un
nuevo sistema cementicio que permite aumentar significativamente el nivel de
sustitución de clínker en la producción de cemento Portland por productos que
tienen menor costo y más bajo consumo energético en su producción y amplia
disponibilidad. El principal elemento de este sistema es un material conocido como
“metakaolín” (MK), que resulta de la calcinación de arcillas ricas en mineral caolín,
que de esta forma se convierten en una puzolana de alta reactividad. Los estudios
realizados demuestran que una combinación en proporción de 2/1 de carbonato
de calcio y metakaolín puede sustituir más del 50% del clínker que se utiliza en la
producción de cemento, sin que se afecten las propiedades mecánicas finales del
producto.(MARTIRENA, 2011).
La activación térmica de un material arcilloso consiste en calentar la arcilla hasta
una temperatura dada para eliminar el agua estructural, modificando así su
estructura cristalina original para hacerlo químicamente más reactivo. Este
proceso es conocido como desoxhidrilación (NIELSEN, 1991). Opuesto al mineral
original que tiene altos niveles de cristalinidad, esta fase arcillosa metaestable
tiene un alto desorden estructural que favorece su capacidad de solubilizarse y
reaccionar químicamente.
Durante la calcinación de las arcillas pueden distinguirse varias etapas. Con el
calentamiento desde temperatura ambiente hasta 250°C ocurre la pérdida
(reversible en algunos casos) del agua adsorbida y absorbida en las superficies
externas e internas de la arcilla (deshidratación). Entre los 400°C y los 950°C
ocurre la remoción de los OH- estructurales (desoxhidrilación) acompañada por el
desorden parcial de la estructura cristalina y la formación de fases metaestables,
caracterizadas por una alta reactividad química (HELLER-KALLAI, 2006).
La pérdida de los OH- desestabiliza eléctricamente la estructura. Es por eso que
en las arcillas calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
11
la reactividad puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en
desestabilizarse durante el proceso de desoxhidrilación. La desestabilización de
cargas eléctricas y la ruptura de los enlaces químicos por el calentamiento
provocan el colapso parcial de la estructura (Alujas Díaz, 2010).
Varios factores favorecen el empleo de las caolinitas en la obtención de materiales
puzolánicos en comparación con otros tipos de minerales arcillosos también
abundantes como la illita y la montmorillonita. Para las arcillas del tipo caolinita, el
amplio intervalo que existe entre la temperatura de desoxhidrilación y la
temperatura a la cual comienzan a manifestarse los fenómenos de recristalización
y sinterización es mucho mayor que para la montmorillonita o la illita. En la illita
ambos fenómenos ocurren casi a la misma temperatura, de manera que la
ventana térmica que se extiende entre el final de la desorganización estructural y
la recristalización de la estructura es muy estrecha, mientras que la
montmorillonita representa un caso intermedio (Makovicky and Osbaeck, 1994).
En la caolinita, los OH- están más vinculados a los enlaces entre las capas por el
aporte de interacciones por puente de hidrógeno, y representan un porcentaje
mayor en la estructura, por lo cual su remoción provoca un mayor desorden
estructural. También se ha reportado que, durante el intervalo que corresponde al
proceso de desoxhidrilación, la superficie específica de la caolinita aumenta
ligeramente, lo que favorece su reactividad(Alujas Díaz, 2010).
En el año 2009 en investigaciones realizadas por Dayrán Rocha se analizó el uso
de materiales cementicios suplementarios al CP, empleando sustituciones de un
20; 30; y un 40% del peso del mismo. En este estudio fueron explotados suelos de
la localidad de Manicaragua con los cuales se realizó una calcinación en mufla
durante una hora empleando una temperatura de 900 °C y posteriormente fueron
molidos en un molino de bolas MB-600 durante 120 minutos. Este trabajo estuvo
encaminado en evaluar a escala de laboratorio las propiedades mecánicas en
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
12
microhormigones con porcientos de sustitución de CP por arcillas calcinadas. La
resistencia a compresión y a flexión de los microhormigones, sustituyendo los
porcientos anteriormente mencionados de cemento por las puzolanas analizadas,
fue menor que las de la muestra patrón con un 100 % de CP, debido a que las
puzolanas no reaccionan a edades tempranas. Ya a los 7 días los valores tienden
a igualarse, y a los 28 días los microhormigones con adiciones activas para
determinados porcientos de sustitución, lograron resistencias superiores al patrón.
1.2.3 El sistema clínquer- arcilla calcinada-carbonato de calcio.
El empleo de adiciones de arcilla calcinada combinada con carbonato de calcio en
proporción 2:1, puede sustituir hasta un 45 % del contenido de clínquer en CP.
Bajo esta premisa, en una investigación llevada a cabo en el 2013 por Katy Mena
se produjeron dos tipos de cementos bajo la denominación B-15 y B-45 los cuales
representaban un 15 y 45 % de sustitución del contenido de clínquer,
respectivamente, se evaluó el comportamiento físico-mecánico de hormigones
fabricados con ambas variantes de acuerdo a la normativa vigente, demostrando
que ambos cementos presentaron un desempeño elevado a edades tempranas,
debido principalmente a la alta finura que los caracteriza, que promueve el efecto
filler, que según lo reportado en la literatura tiene una influencia más marcada en
las primeras edades. La influencia de la adición activa fue medida a partir de la
comparación con varias referencias, que incluyen el uso de un filler de cuarzo y la
fabricación de hormigones empleando cementos sin adición.(Andrés, 2014) Se
llevó a cabo una valoración de las propiedades reológicas en función de la adición
y los niveles de sustitución. La adición de arcilla calcinada con carbonato de calcio
demostró tener un efecto positivo en la resistencia a la compresión, la finura del
aglomerante resultó ser el factor más influyente, siendo además determinante para
las propiedades en estado fresco. La aplicación potencial del B-45 en bloques
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
13
huecos de hormigón fue evaluada además mediante una prueba piloto en una
fábrica de producción industrial
1.3 El hormigón como material de construcción.
El hormigón es el material resultante de combinar áridos con la pasta que se
obtiene al añadir agua a un aglomerante .El aglomerante puede ser cualquiera,
generalmente es un cemento artificial y los áridos suelen ser rocas, de tamaño
máximo limitado, que cumplen ciertas condiciones respecto a sus características
mecánicas, químicas y granulométricas . La pasta formada por cemento y agua es
la que confiere al hormigón su fraguado y endurecimiento, mientras que el árido es
un material inerte sin participación directa en este proceso. El cemento se hidrata
en contacto con el agua, iniciándose diversas reacciones químicas de hidratación
que lo convierten en una pasta maleable con buena adherencia, que en el
transcurso de unas horas, derivan en el fraguado y endurecimiento progresivo de
la mezcla, obteniéndose un material de consistencia pétrea. Una característica
importante del hormigón es poder adoptar formas distintas, a voluntad del
proyectista.(Griman, 2012) Debido al desarrollo de nuevos productos y tecnologías
el hormigón pasó de ser, una simple mezcla de agua, áridos y cemento Portland, a
un complejo material compuesto, donde coexisten productos amorfos y minerales,
agua, moléculas orgánicas más o menos complejas, y en ciertos casos, sales
minerales. El hormigón es considerado actualmente como el rey universal de los
materiales de construcción ya que posee determinadas ventajas que lo ubican en
la cima, el carácter plástico del mismo, lo que le permite conseguir piezas de
cualquier forma, con la única limitación de la complejidad del molde y altas
resistencias a compresión. Presenta la ventaja sobre otros materiales resistentes
de proporcionar piezas de un gran monolitismo, incluso en los nudos, haciendo
que pueda prescindirse de juntas o uniones. A su favor juega el ser un material
noble compuesto por otros muy abundantes y económicos, con una resistencia
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
14
mecánica buena y que cada vez van incrementándose y con un consumo de
energía de formación muy pequeño, frente a otros materiales de uso en la
construcción. El hormigón se ha impuesto de tal forma que hoy es imposible
encontrar una construcción en la que no esté presente en alguna parte de la
misma.
1.3.1 Características y comportamiento del hormigón.
1.3.1.1 Fraguado y endurecimiento.
Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química
exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. . Esto se
observa de forma sencilla por simple presión con un dedo sobre la superficie del
hormigón. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado
en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de
manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se
produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en
el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se
denomina fraguado final. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado
de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del
estado fluido al sólido. Así definido, el fraguado no es sino una parte del proceso
de endurecimiento.
El endurecimiento del hormigón depende a su vez del endurecimiento de la
lechada o pasta formada por el cemento y el agua, entre los que se desarrolla una
reacción química que produce un coloide “gel”, a medida que se hidratan los
componentes del cemento. La reacción de endurecimiento es muy lenta, lo cual
permite la evaporación de parte del agua necesaria para la hidratación del
cemento, que se traduce en una notable disminución de la resistencia final.
(Anonimus, 2013).
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
15
.El hecho de que pueda regularse la velocidad con que el cemento amasado
pierde su fluidez y se endurece, lo hace un producto muy útil en construcción. Una
reacción rápida de hidratación y endurecimiento dificultaría su transporte y una
cómoda puesta en obra. Una reacción lenta aplazaría de forma importante el
desarrollo de resistencias mecánicas. En las fábricas de cemento se consigue
controlando la cantidad de yeso que se añade al clínquer de cemento (Müller,
2013). En condiciones normales un hormigón Portland comienza a fraguar entre
30 y 45 minutos después de que ha quedado en reposo en los moldes y termina el
fraguado trascurridas las 10 o 12 horas. Después comienza el endurecimiento que
lleva un ritmo rápido en los primeros días hasta llegar al primer mes, para después
aumentar más lentamente hasta llegar al año donde prácticamente se estabiliza.
1.3.1.2 Consistencia.
La Consistencia del Hormigón Fresco es el mayor o menor grado que tiene el
hormigón fresco para deformarse y como consecuencia de esta propiedad, de
ocupar todos los espacios del encofrado o molde donde se vierte, además es un
índice indirecto de evaluar la docilidad. Otros índices son la viscosidad dinámica y
la cohesión, pero ellos resultan mucho más difíciles de evaluar en la práctica
común de producción y empleo de mezclas de hormigón. En la consistencia
influyen diferentes factores, en especial la cantidad de agua de amasado, pero
también el tamaño máximo del árido, la forma de los áridos y su granulometría,
trayendo consigo que la mezcla sea más laborable y fluida, lo que permite hacer
una correcta colocación del hormigón. La consistencia del hormigón debe fijarse
previamente a la puesta en obra, analizando que consistencia es la más adecuada
para colocación de acuerdo a los medios de compactación con que se dispone.
Este es un parámetro fundamental en el hormigón fresco. (Griman, 2012).
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
16
Existen distintos métodos para medir la consistencia como el Cono de Abrams,
consistómetro VeBe, la mesa de fluidez y los docilímetros. El ensayo más
conocido para medir esta propiedad es el Cono de Abrams, por ser de fácil
aplicación y muy práctico a la hora de ser utilizado a pie de obra.
-Cono de Abrams.
Es un ensayo de asentamiento que depende de las características y proporciones
de los componentes del hormigón. Consiste en colocar el hormigón dentro de un
molde troncocónico con una altura de 30 cm, un diámetro superior de 10 cm y un
diámetro inferior de 20 cm. Para poner en práctica el procedimiento se siguen los
pasos siguientes:
1- Se humedece el molde y se coloca sobre una superficie ligeramente
humedecida también.
2- Se llena el molde en tres capas iguales, compactándose con 25 golpes de
varilla compactadora al final de cada capa.
3- Al terminar de compactarse la última capa se enraza con una espátula.
4- Se retira el cono verticalmente.
5- Se mide el asentamiento de la mezcla con respecto al borde superior del
cono.(NC, 174-2002).
1.3.1.3 Laborabilidad y homogeneidad.
Laborabilidad o docilidad.
Es la facilidad que presenta el hormigón para ser elaborado, manejado,
transportado, colocado y compactado sin que este sufra cambios o afectaciones
notables, es decir, sin que ocurra la segregación o exudación.
La docilidad del hormigón será la necesaria para que, con los métodos previstos
de puesta en obra y compactación, el hormigón rodee las armaduras con los
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
17
recubrimientos exigibles y rellene completamente los encofrados sin que se
produzcan coqueras (SALAZAR, 2002).
Homogeneidad.
Es la capacidad de distribución homogénea de todos los componentes del
hormigón a través de toda su masa. Lo opuesto a un hormigón homogéneo es que
presente segregación o decantación. Se evalúa determinando la masa específica
de varias muestras del hormigón fresco tomadas de forma aleatoria.
1.3.1.4 Resistencia.
El hormigón endurecido presenta resistencia a las acciones de compresión,
tracción y desgaste. La principal es la resistencia a compresión que lo convierte en
el importante material que es. Se mide en Mpa (Megapascales) y llegan hasta 50
Mpa en hormigones normales y 100 Mpa en hormigones de alta resistencia. La
resistencia a tracción es mucho más pequeña pero tiene gran importancia en
determinadas aplicaciones. La resistencia a desgaste, de gran interés en los
pavimentos se consigue utilizando áridos muy resistentes y relaciones agua
cemento muy bajas.(Griman, 2012).
Las especificaciones para el hormigón exigen una resistencia determinada a la
compresión a 28 días, aunque no necesariamente es la condición dominante. Las
especificaciones pueden imponer limitaciones a la relación a/c máxima admisible y
al contenido unitario mínimo de cemento. Es importante que exista un compromiso
entre las limitaciones para lograr un óptimo en las propiedades efectivas que
tendrá el hormigón (Anónimo, S.A-e).
El empleo de adiciones minerales para la producción de cementos mezclados no
solo trae beneficios ecológicos, sino que contribuye a la mejora de determinadas
propiedades en los hormigones, tales como menor calor de hidratación,
resistencias mecánicas superiores, alta resistencia ante sulfatos, baja
permeabilidad, así como baja reactividad álcali-agregado.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
18
Estudios realizados han demostrado un excelente potencial en las arcillas
calcinadas, las que, mezcladas con el CP en porciento de sustitución de hasta un
30 %, mejoren significativamente la resistencia y la durabilidad del hormigón. La
reactividad de las arcillas calcinadas depende en gran medida del contenido de
caolinita y por tanto su empleo como puzolana artificial en la producción de
morteros y hormigones, ya que se reconoce su importante contribución en las
resistencias mecánicas, reducción de la permeabilidad y durabilidad (Lara, 2010).
Con una sustitución del contenido del clínquer por un 30% de metakaolín y el uso
de aditivo se logra una baja porosidad y un aumento considerable de resistencia
mecánica. Los resultados de la investigación de H. Paiva establecen que al
realizar reemplazos de metakaolín por cemento con porcentajes del 10 %, se
logran los máximos valores de resistencias a compresión. Valores superiores al 10
% no muestran aumentos significativos. Al realizar reemplazos de cemento por
metakaolín, con porcentajes entre el 30 % y 40 %, se logra remover
completamente el hidróxido de calcio, sin embargo, la resistencia a la compresión
en estas mezclas con reemplazos por encima del 20 % disminuyen drásticamente
(Mederos, 2013).
1.3.1.5 Durabilidad.
La durabilidad del hormigón se define como la capacidad para comportarse
satisfactoriamente frente a las acciones físicas y químicas agresivas a lo largo de
la vida útil de la estructura protegiendo también las armaduras y elementos
metálicos embebidos en su interior. Por tanto no solo hay que considerar los
efectos provocados por las cargas y solicitaciones, sino también las condiciones
físicas y químicas a las que se expone. Por ello se considera el tipo de ambiente
en que se va a encontrar la estructura y que puede afectar a la corrosión de las
armaduras, ambientes químicos agresivos, zonas afectadas por ciclos de hielo-
deshielo, etc. Varios son los factores que condicionan la durabilidad del hormigón.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
19
Entre ellos, desde el punto de vista interno, se encuentran la composición y
distribución de sus componentes o materias primas, así como las características
propias de su diseño estructural. Aquellos con particularidades externas al
material, como son el grado de exposición y la agresividad del medio en que se
encuentra, también son determinantes de esta propiedad (DOPICO, 2009.). Para
garantizar la durabilidad del hormigón y la protección de las armaduras frente a la
corrosión es importante realizar un hormigón con una permeabilidad reducida,
realizando una mezcla con una relación agua/cemento baja, una compactación
idónea, un contenido de cemento adecuado y la hidratación suficiente de éste
añadiendo agua de curado para completarlo. De esta forma se reduce el
fenómeno de la exudación, se consigue reducir la porosidad y una red capilar
interna poco comunicada reduciéndose el ataque de agentes externos al
hormigón. El efecto de la calidad del hormigón, en lugares cercanos a superficies
expuestas, está estrechamente asociado con el grado y tipo de agente agresivo
que puede penetrar dentro del mismo. Las propiedades que controlan el transporte
de estos materiales dentro de la masa de hormigón o hacia el refuerzo, tales como
la permeabilidad y la sorptividad, son de particular importancia. El grado con que
un hormigón absorbe agua en contacto con su superficie está vinculado a varios
aspectos de la durabilidad. Los dos parámetros básicos asociados a la absorción
son la porosidad efectiva (masa de agua que se requiere para saturar el material)
y la sorptividad (grado de penetración). (KELHAN, 1988) Es válido aclarar que la
presencia de hidróxido de calcio (CH) en la matriz de la mezcla a base de CP es
perjudicial por los efectos de carbonatación y la lixiviación. La carbonatación
podría llegar a consumir la protección pasiva que cubre el refuerzo (en el caso de
hormigones armados), permitiendo la reacción de éste con los agentes agresivos.
La lixiviación que se produce cuando el CH es disuelto por el agua y retirado de la
matriz, esto puede romper el equilibrio entre los productos de reacción y causar la
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
20
destrucción parcial o total de los silicatos y aluminatos hidratados. En los casos de
existencia de sulfatos en el terreno o de agua de mar se deben emplear cementos
especiales.
Con la adición de un alto porcentaje de finos y una alta densidad de la pasta de
cemento se logra una alta impermeabilidad, que protege a hormigón de la
carbonatación. El Dr. Ing. José F. Martirena ha demostrado que en breve espacio
de tiempo gran parte del CH añadido habrá reaccionado con las puzolanas, y
quedará sólo un mínimo para mantener el equilibro entre los productos de
reacción. De esta forma, el porcentaje de productos hidratados es superior a
cuando se emplean adiciones minerales finas, y por ende la estabilidad de los
productos de reacción y la impermeabilidad de la matriz son mayores (Talero,
2005).
1.4 Métodos de dosificación para el diseño de mezclas de hormigón.
Métodos de dosificación. Generalidades.
La gran versatilidad de la construcción en hormigón y las crecientes exigencias
técnicas especificadas para este material llevaron a diversos investigadores a
conjugar investigación, experiencia y empirismo en la búsqueda de un método
para encontrar la dosificación de materiales que garantizaran la obtención de un
hormigón con las características que más se ajustasen a la necesidad que
tuvieran en cada caso. Esta búsqueda aún continúa y no ha llevado a un método
único ni por lo menos exacto; sin embargo, si ha definido varios procedimientos,
unos más empíricos que otros, que se basan en el ensayo y error para al final, y
en el caso de haber usado los datos o la información correcta, recomendar las
proporciones del hormigón esperado. (Shakhmento, 2000)En el diseño de una
mezcla de hormigón intervienen un gran número de variables que determinan su
comportamiento en servicio, desde su concepción, pasando por su mezclado,
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
21
fraguado y endurecimiento, hasta su madurez, dichas variables son, entre otras, el
costo, la resistencia, la trabajabilidad, la durabilidad y la apariencia. El diseño
consiste en optimizar estas variables dependiendo de los materiales previamente
seleccionados o escogiendo los que mejor se ajusten a cada caso específico,
haciendo que cada necesidad especifique un hormigón distinto en el cual
predomine una o diversas variables, siendo éstas quienes en realidad se
optimizan y adoptando valores mínimos para las demás.
El diseño consiste en tres pasos fundamentales:
- Seleccionar los componentes que se van a utilizar en el diseño.
- Determinar las cantidades apropiadas de cada uno de los componentes de la
mezcla.
- Ajustar las cantidades.
El uso de un método u otro está en función del tipo de hormigón que se vaya a
diseñar, es decir, el que más se ajuste a las condiciones de la obra. En la
actualidad la producción de hormigón se realiza generalmente en plantas donde
muchos de los equipos son automatizados. Para ello, el cliente enumera cuales
son las características que le interesan de los componentes, el técnico escoge la
dosificación más adecuada y la introduce en un ordenador, el cual se encarga de
todo el trabajo hasta que el material es depositado en la hormigonera.
Las metodologías de dosificación pueden dividirse, fundamentalmente, en dos
grupos: uno formado por los métodos que tienen como dato principal de partida la
dosificación de cemento y otro formado por los hormigones definidos por sus
resistencias mecánicas, especialmente la de compresión. En ambos casos, sin
embargo, se deben aportar otros datos como pueden ser la consistencia, tamaño
máximo del árido a emplear, tipos de áridos, etc. (Huanca, 2006)
Entre los métodos basados en el contenido de cemento tenemos el método de
Füller y método de Bolomey y entre los métodos basados en la resistencia a
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
22
compresión tenemos el método del American Concrete Institute (A.C.I), método De
La Peña y método del DIN. Existen también métodos basados en la
experimentación, como el de O’Reilly que es el más utilizado en Cuba y otras
metodologías basadas en mezclas de prueba y en granulometrías discontinuas.
1.4.1 Métodos teóricos y analíticos.
1.4.1.1 Métodos basados en el contenido de cemento.
- Método de Füller.
Creado en el año 1907 en los EUA, su aplicación está dirigida principalmente para
diseños de hormigones en los cuales el tamaño máximo del árido se encuentra
comprendido entre 50±20 mm, los áridos son rodados, no existen secciones
fuertemente armadas y la cantidad de cemento por metro cúbico es superior a los
300 Kg/m3.
Los datos para el diseño de una mezcla de hormigón son: la cantidad de cemento
por metro cúbico de hormigón, la consistencia, la granulometría y densidad relativa
de los áridos.
Metodología utilizada en el método de Füller.
1- Determinar el tamaño máximo del árido utilizado, el cual se considera la
abertura del menor tamiz que retiene menos del 25% de la fracción más gruesa
del árido.
2- Establecer la cantidad de agua por metro cúbico de hormigón en función del
árido utilizado, el tamaño máximo y la consistencia que deba tener el hormigón,
apoyándonos en las tablas base.
3- Determinar las proporciones en que deben mezclarse los áridos utilizando una
curva que considera una granulometría ideal, llamada curva de Füller.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
23
4- Realizar un ajuste granulométrico de la curva de Füller por medio de tanteos o
basado en los módulos granulométricos. Es necesario aclarar que el ajuste por
medio de tanteos resulta rápido y cómodo, pero el ajuste teórico de los módulos
granulométricos es un procedimiento numérico que se acerca más a la exactitud.
5- Determinar la dosificación por metro cúbico de hormigón, calculando los
volúmenes relativos y llevándolos a peso.
6- Obtener el volumen relativo de los áridos que hay que repartir entre las
proporciones halladas con anterioridad.
De esta manera se obtiene un detallado diseño de los componentes del hormigón
utilizando el método de Füller basado en el contenido de cemento. Resulta
significativo aclarar que los pesos obtenidos en este diseño son para áridos secos,
es decir, si se quiere poner en práctica este método hay que hacer las respectivas
correcciones, ya que con frecuencia presentan algún tipo de humedad. (BOLIVAR,
2010).
- Método de Bolomey.
Este método puede ser considerado como un perfeccionamiento del método de
Füller; los datos para efectuar la dosificación por este método suelen ser los
mismos que los utilizados por el método de Füller. La cantidad de agua necesaria
por metro cúbico de hormigón se determina utilizando las mismas tablas que en el
método de Füller. Para la determinación del tamaño máximo del árido se sigue el
mismo criterio utilizado en el método anterior, la cantidad de agua necesaria por
metro cúbico de hormigón se determina utilizando las mismas tablas que en el
método de Füller. Para determinar en qué proporción se mezclan las distintas
fracciones de árido, es en éste punto donde se aportan las modificaciones
respecto al método anterior, pues Bolomey utiliza una curva de granulometría
variable en función de la consistencia deseada en el hormigón y la forma de los
áridos, mientras que Füller considera una curva de granulometría ideal. Para
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
24
ajustar la curva granulométrica de Bolomey el sistema de tanteos no varía con
respecto al utilizado por Füller, pero el basado en los módulos granulométricos si
aporta algo nuevo, ya que Bolomey considera el cemento como un árido
más.(BOLIVAR, 2010).
1.4.2.2 Métodos basados en la resistencia a compresión.
- Método del American Concrete Institute (A.C.I).
El sistema del American Concrete Institute (A.C.I) es, sin lugar a dudas, el método
de dosificación más utilizado en todo el mundo, siendo adecuado para cualquier
obra realizada con hormigón (Anónimo, S.A-c). A continuación se muestran los
pasos que se deben seguir para dosificar una mezcla de hormigón siguiendo el
método de la A.C.I.
1- Determinar el tamaño máximo del árido, teniendo en cuenta que debe el mayor
posible siempre que cumpla con las especificaciones de diseño.
2- Obtener en una tabla los valores de consistencia después de haber hecho el
ensayo del cono de Abrams. Para ello se toma el menor asentamiento, siendo
este el que más se acerca a la realidad.
3- Hallar por medio de tablas la cantidad de agua de amasado por metro cúbico de
hormigón que necesita la mezcla.
4- Definir la relación agua/cemento de acuerdo al tipo de ambiente al que se
encuentre expuesto (términos de durabilidad) y la resistencia a compresión a los
28 días (términos de resistencia) apoyados en las tablas.
5- Calcular la cantidad de cemento que va a ser utilizada por metro cúbico de
hormigón teniendo la cantidad de agua y la relación agua/cemento.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
25
6- Determinar las cantidades de árido grueso y árido fino. Es necesario emplear la
mayor cantidad de árido grueso para mejorar las condiciones de resistencia sin
afectar la docilidad de la mezcla. Por otro lado el contenido de finos puede
obtenerse por el método de los volúmenes absolutos o por el de los pesos.
(Toledo, 2014).
- Método De La Peña.
Este método de dosificación fue publicado en el año 1955 por C. De La Peña y se
basa principalmente en la resistencia media a compresión. ‘‘Se aplica en
hormigones estructurales de edificios, pavimentos, canales, depósitos de agua,
puentes, etc., partiendo de un contenido de 300 kg/m³ de cemento y cuando las
condiciones de ejecución puedan estimarse como buenas. ’’ (Anónimo, S.A-f).
Metodología utilizada por De La Peña para poner en práctica el método.
1- Fijar el tamaño máximo del árido considerando que es la abertura del menor
tamiz que retiene menos del 25% de la fracción más gruesa del árido.
2- Determinar la consistencia deseada proporcionándola como dato u
obteniéndola como resultado de los ensayos de asentamiento del cono de
Abrams.
3- Fijar la cantidad de agua por metro cúbico de hormigón en función de la
consistencia, el tipo de árido y su tamaño máximo. Para ello nos apoyamos en las
tablas base.
4- Determinar la relación agua/cemento en peso, la cual está en función de la
resistencia media del hormigón a los 28 días y el tipo de árido a utilizar,
apoyándonos en las tablas.
5- Obtener el peso del cemento en kilogramos para el volumen de agua por metro
cúbico de hormigón.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
26
6- Determinar la proporción en que deben mezclarse los áridos utilizando un
gráfico en el que se establece el porcentaje del árido en función del módulo
granulométrico y el tamaño máximo del árido.
7- Obtener el volumen real que hay que repartir entre los áridos utilizando 1.025
para conseguir un metro cúbico de hormigón.
- Método del DIN.
El método DIN – 1045 es una aplicación singularizada del método del Módulo de
Finura de la Combinación de Agregados. Parte de la hipótesis que el módulo de
finura del agregado integral oscila entre 5.2 y 5.3. A veces puede presentarse en
la elaboración del hormigón con este método una mezcla sobre-arenosa, a la cual
hay que necesariamente corregirla, disminuyéndole el 10% de agregado fino o
agregándole el 10% de agregado grueso. Si la mezcla se presenta sobre-gravosa
se hará lo contrario (López, S.A).
El procedimiento seguido para poner en práctica el método del DIN agrupa la
misma metodología que es utilizada en el método de la A.C.I incluyendo solo un
paso más. A continuación se explica el paso que marca la diferencia entre ambos
métodos.
Luego de definir la relación agua/cemento y calcular la cantidad de cemento por
metro cúbico se determina el módulo de finura del agregado global mediante
tanteo de la tabla granulométrica, cuyo valor deberá oscilar entre 5.2 – 5.3, los
porcentajes obtenidos serán los porcentajes de incidencia de los agregados y se
calcula los pesos secos de los agregados (López, S.A).
1.4.2.3 Métodos de dosificación experimentales.
Método de O’Reilly.
El Método de Dosificar Mezclas de Hormigón del Prof. O'Reilly constituye una
notable contribución al desarrollo de las Ciencias Técnicas, aplicadas en particular
al hormigón armado, material que mantiene su vigencia entre los recursos
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
27
fundamentales para el desarrollo de las construcciones en el mundo .Resultado de
15 años de investigaciones, en el que se ha empleado un extraordinario número
de probetas, complejas elaboraciones matemáticas y revisión de los métodos de
dosificación más reconocidos en el mundo, se introducen valiosos aportes
científicos a la teoría y práctica de las mezclas con la comprobación experimental
de la influencia de las formas geométrica variables de las partículas de los áridos
en la reología y máxima compacidad del hormigón, propiedades fundamentales
para el logro de la óptima economía del cemento y la durabilidad de las
construcciones, muy en particular, frente a la agresividad del medio ambiente
marítimo característico de nuestro país. El procedimiento propuesto por O’Reilly se
utiliza en Cuba y en otros países de África y América. Una de las principales
ventajas de este método es el ahorro de cemento que proporciona. En efecto,
comparado con otros métodos como el ACI, el método O’Reilly puede llegar a
reducir en un 15% o más el consumo de cemento por metro cúbico de hormigón.
Esto tiene una repercusión económica muy importante en la industria de la
construcción.
En el objetivo de lograr el máximo ahorro de cemento con las condiciones
tecnológicas existentes, sin requerir nuevas inversiones o eventuales
importaciones de aditivos químicos para las mezclas de hormigón, O’Reilly
propone un método de dosificación a partir de la determinación de las
características de los áridos a emplear, y en función de ellas se diseña la mezcla,
pues según demuestra existe una influencia cuantitativa de la forma de los áridos
en el consumo de cemento.
El método consiste en determinar experimentalmente la combinación porcentual
de áridos gruesos y arena que ofrezca el máximo peso volumétrico (mínimo
contenido de vacíos), obteniendo el volumen de la pasta a través del cálculo de los
vacíos, y finalmente el contenido de cemento y de agua se determina mediante
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
28
factores que dependen de la relación a/c y de la consistencia deseada de la
mezcla (CUJAE, 2007).
1.5 Modelación del diseño para la dosificación de mezclas de hormigón.
1.5.1 Optimización de las dosificaciones de mezclas de hormigón.
Optimizar consiste en maximizar el valor de una variable, en este caso el peso. En
otras palabras, determinar el valor máximo del peso en función de los tipos de
áridos utilizados. El porqué de optimizar es para conseguir el menor número de
huecos posibles, o sea, la máxima compacidad (ORTEGA, 2012).
El desarrollo de materiales que presenten un comportamiento acorde con las
necesidades del usuario, hace imprescindible la utilización de herramientas
basadas en criterios de optimización(MENÉNDEZ, 2008.). En una mezcla de
hormigón las características del cemento son prácticamente invariables, por lo
que, buscar una propiedad específica en la misma, depende mayormente de las
transformaciones en las propiedades físicas de los agregados, lo que da lugar a la
utilización del factor de empaquetamiento como una vía de optimización.
El empleo de combinaciones de agregados que producen un factor de empaque
máximo permite elaborar una mezcla con un contenido de pasta mínimo, reducir el
contenido de cemento, obtener hormigones más económicos, con mayor
estabilidad volumétrica y un menor calor de hidratación.
1.5.2 Granulometría.
La composición granulométrica es una característica particular de los materiales a
granel, como las arenas, gravas, piedra triturada en general y otros materiales
granulados. En esencia, la granulometría es la distribución por tamaño de las
partículas o granos componentes del material. La granulometría de los áridos es
uno de los parámetros más importantes empleados para la dosificación del
hormigón (La mayoría de los métodos de dosificación presentan especificaciones
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
29
sobre las granulometrías óptimas que deben tener los áridos), puesto que
constituye su esqueleto y tiene una gran influencia sobre sus propiedades. El
análisis granulométrico de un árido consiste en determinar la distribución por
tamaños de las partículas que lo forman, o sea, en separar al árido en diferentes
fracciones de tamaño de partículas, o de tamaños comprendidos dentro de
determinado límites y en hallar el porcentaje de cada fracción en el total del árido.
Las granulometrías obtenidas por análisis de los áridos disponibles, arenas,
gravillas, gravas, etc., indican la distribución por tamaños de las partículas de cada
uno y permiten determinar en qué proporciones se han de mezclar aquellos para
obtener una granulometría del árido resultante que se parezca lo más posible a
una curva granulométrica ideal de compacidad máxima. El conseguir, mediante la
mezcla de los áridos conocidos, esta aproximación a determinadas curvas tiene
por finalidad obtener granulometrías que den lugar a hormigones dóciles y
compactables con una cantidad de energía prudencial. Hormigones que serán
compactos, de máxima densidad y máxima resistencia, si tenemos en cuenta, de
acuerdo con Feret, que la máxima compacidad proporciona la máxima
resistencia.(Eddy.H, 2011).
La gran importancia que la granulometría de los áridos tiene en el hormigón se
pone de manifiesto en la influencia que posee esta sobre la docilidad y por tanto,
en la dosificación de cemento y de agua, pero por otra parte, la granulometría
afecta a la compacidad y coherencia de la mezcla, pudiendo provocar en
segregación y/o exudación de tomarse una decisión incorrecta de la mezcla; es
decir, influye sobre las propiedades del hormigón fresco y sobre las del endurecido
a través de su participación en las resistencias, estabilidad de volumen y
durabilidad.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
30
No solo es importante que el árido posea una buena granulometría sino que,
además, hay que asegurar que ésta permanezca constante en todas las masas
puesto que sus variaciones influyen en la docilidad y pueden dar lugar a mayores
necesidades de agua con las consiguientes repercusiones en las resistencias.
Granulometría óptima.
Se denomina "granulometría óptima" a la que, para una misma consistencia y
relación Agua/Cemento, le corresponde un consumo mínimo de cemento, dando,
además, el mínimo de segregación. Esta última exigencia no debe ser
menospreciada puesto que, mezclas dóciles, que pueden producir hormigones
resistentes y económicos pueden dar origen a que estos sean débiles, coquerosos
y poco durables si se produce la segregación de los áridos. Los áridos deben tener
una distribución y porcentaje de tamaños tal, que den lugar al menor número
posible de huecos entre ellos con lo cual, las necesidades de pasta de cemento
serán menores y al mismo tiempo se impedirá que esta se filtre a través de los
huecos cuando se produce la compactación. Esto requiere que la granulometría
sea rica en finos de tamaño inferior a 0.32 mm y, tanto más cuanto menos
cantidad de cemento se emplee. Los áridos machacados presentan un mayor
número de huecos entre ellos, a rellenar con arena, que en el caso de áridos
rodados. Es preciso que el árido ocupe un volumen relativo lo más grande posible
debido, en primer lugar, a razones de tipo económico dado que el árido es más
barato que la pasta de cemento y, en segundo, a razones técnicas, puesto que al
ser más grande el volumen de áridos menor será el de pasta con la consiguiente
disminución de la retracción y fluencia del hormigón. Por otra parte, al ser los
áridos, generalmente, más resistentes que la pasta, los hormigones deberán ser
tanto más resistentes cuanto mayor volumen relativo ocupen estos en la masa de
hormigón, lo que se logra empleando el mayor tamaño posible de árido y haciendo
que los huecos existentes entre los granos gruesos sean ocupados por los de
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
31
tamaño inmediato inferior, y los existentes entre estos lo sean por los siguientes
en tamaño y así sucesivamente hasta que las partículas más finas de arena
terminen por rellenar los últimos huecos existentes. No obstante, entre las
partículas más finas de la arena aún quedan huecos sin rellenar en los que ha de
entrar la pasta de cemento. Pero, esta no solo tiene la misión de relleno de huecos
sino que, también tiene que actuar como conglomerante uniendo entre sí a los
granos del árido, es decir, ha de formar una película que recubra a estos granos
para que puedan unirse por contacto unos con otros. El volumen de pasta a
introducir para esta nueva misión será tanto mayor, cuanto más grande sea la
superficie específica de estos, siendo, además, mayor cantidad de agua necesaria
para el mojado de los granos del árido. (Day, 2011).
1.5.3 Contenido mínimo de vacíos.
Sobre la base de dar respuesta a las necesidades de resistencia y durabilidad de
un hormigón, fundamentalmente, se hace imprescindible la búsqueda de un
material lo más compacto posible. En efecto, la máxima compacidad proporciona
la máxima resistencia (Féret) y además actúa como un excelente agente externo a
la hora de conseguir una mayor vida útil en el hormigón; lógico, ya que cuanto más
compacto es el material, menor es el porcentaje de vacíos existentes, mejorando
así resistencia y durabilidad, ya que ambas dependen básicamente de la
porosidad.
El agua en exceso forma vacíos en la mezcla, los cuales tienen el mismo efecto
nocivo en la resistencia del hormigón que los vacíos ocupados por el aire. Es
necesario señalar también que el cemento raras veces se hidrata totalmente por lo
que aún, añadiendo agua en un 25% del peso del cemento, se formarían vacíos
(Ingala, 2006).
De manera general los poros presentes en el hormigón pueden clasificarse en los
siguientes tipos:
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
32
Poros del árido.
Poros debidos a deficiente compactación.
Vacíos intergranulares sin pasta.
Poros capilares.
Poros de aire atrapado.
Poros debidos a la exudación (también capilares).
Poros del gel.
Poros de aire ocluido (si se usan aditivos inclusores de aire).
Los últimos cinco tipos de poros señalados anteriormente se presentan en la pasta
de cemento endurecida. Puede entonces simplificarse, y decir entonces que los
poros en el hormigón son la suma de los poros del árido y los poros de la pasta de
cemento endurecida (Rodríguez, 2014).
Debido al fenómeno de exudación aumenta la presencia de poros capilares (Se
define como poros capilares a los espacios originalmente ocupados por el agua en
el hormigón fresco, los cuales en el proceso de hidratación del cemento no han
sido ocupados por el gel), principalmente aquellos conectados con el exterior,
además que se incrementa el volumen de agua ocluida en la masa de hormigón
convirtiéndose más tarde en grandes poros internos. Esta alta porosidad, además
de comprometer las propiedades físicas y mecánicas del hormigón, influye en su
impermeabilidad y por ende en su protección ante las acciones del medio externo,
lo que provoca un detrimento de su durabilidad. Mientras más permeable sea el
hormigón, con mayor facilidad penetrarán sustancias químicas agresivas, como
son los iones cloruro y los sulfatos (Lara, 2010).
1.5.4 Diseños mediante el uso de programas computacionales.
Método de Toufar.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
33
El empleo de combinaciones de agregados que producen un factor de empaque
máximo permite elaborar una mezcla con un contenido de pasta mínimo, reducir el
contenido de cemento, obtener hormigones más económicos, con mayor
estabilidad volumétrica y un menor calor de hidratación. En consecuencia, el
concepto de empaque es una herramienta útil para optimizar la combinación de
los agregados y el modelo de Toufar Modificado proporciona una buena
estimación del mismo (MENÉNDEZ, 2008.).
El Método de Toufar es un método realizado por investigadores canadienses que
se basa en la disminución del contenido de cemento mediante el cálculo de la
proporción de áridos que garantice el menor volumen de vacíos. Está centrado en
lograr el factor de empaquetamiento máximo para la mezcla que se quiera diseñar,
teniendo la posibilidad de trabajar en el diseño con tres fracciones de áridos y con
varios materiales cementicios suplementarios. A continuación se muestra la
metodología seguida por Toufar para el diseño de mezclas de hormigón.
A. Tamizar los agregados para saber el %retenido y el %pasado en cada
tamiz, los cuales van desde 112 hasta 0.08mm.
B. Introducir en el programa los siguientes resultados de laboratorio: -
densidad seca, debe oscilar entre 2600-2700 kg/cm3.
densidad a granel, entre 1450-1600 kg/cm 3. % de absorción, sus valores
típicos están en un rango de 0.5-2.0%.
contenido de humedad (%), varía de 0-5% para agregado muy mojado.
C. Introducir en el programa otros datos que se requieren para el diseño.
Porcentaje de remplazo de cemento por materiales cementicios
suplementarios.
Densidad del cemento que se va a utilizar.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
34
Densidad de los materiales cementicios suplementarios.
Porciento de aire incluido en la mezcla de hormigón.
Relación agua/cemento.
Porcentaje adicional de volumen de pasta de cemento entre 0-5% del
volumen de pasta.
Luego de introducir al programa esta serie de datos se obtiene como resultado la
dosificación de todos los materiales, arrojando las cantidades exactas y logrando
en su distribución el factor de empaque máximo. El Método de Toufar es de fácil
aplicación y muy práctico, recomendable para cualquier tipo de diseño de mezclas
de hormigón que utilice hasta tres tamaños de áridos diferentes.
1.6 Conclusiones parciales.
1. La producción de cemento de bajo carbono, es una vía efectiva para
disminuir la contaminación del medio ambiente, el gasto de energía y el
agotamiento de los recursos no renovables.
2. La sustitución de parte del clínker del cemento por MCS resulta ser muy
efectiva ya que se logra un producto más resistente físico y químicamente que un
cemento portland debido a la incorporación de reacciones puzolánicas a las
mezclas, las cuales favorecen un mejor refinamiento en la estructura de poros
dando lugar a una mejor compacidad e impermeabilidad en los hormigones.
3. El empleo de arcillas activadas térmicamente como material cementicio
suplementario resulta ser una vía efectiva y económica de reducción del clínquer
logrando hormigones tan resistentes y más duraderos que los confeccionados con
CP.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE
CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE
HORMIGÓN HIDRÁULICO.
35
4. Para la fabricación hormigones empleando cementos ternarios debe
tenerse presente que el diseño no solo dependa de la relación agua/cemento, sino
también del tipo y la cantidad de adiciones que se le incorporen al mismo.
5. El Método de Toufar es un procedimiento basado en el empaquetamiento
máximo de la mezcla de hormigón, logrando la mayor compacidad y ahorro de
pasta de cemento. No obstante, tiene una limitante, considera que el árido
tiene forma redondeada.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
36
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO DE
BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
2.1 Generalidades.
En el diseño de hormigón hidráulico se debe tener presente determinados
factores, entre los que se encuentran las cantidades mínimas de cemento, las
relaciones agua cemento según el criterio de durabilidad, la resistencia mecánica
de los áridos y los ajustes o correcciones por humedad. En este trabajo en
específico se utiliza un método de diseño automatizado, Toufar, método que
garantiza un empaquetamiento máximo según la granulometría de los áridos a
utilizar, proporcionando un contenido mínimo de vacío a ocupar por la pasta de
cemento.
Debido a que la fracción fina del árido a emplear presenta características físico
mecánicas muy bajas se decide solo tomar del Toufar las dosificaciones
gravimétricas de los áridos y fijar el contenido de cemento y la relación a/c según
lo que establece la norma cubana para cada tipo de agresividad. Luego de
realizado esta correlación de diseños se debe ajustar las dosificaciones mediante
las ecuaciones de volúmenes absolutos. Una vez realizados estos, se procede a la
confección de especímenes de hormigón que serán ensayados a compresión a los
3 días para verificar que el diseño fue satisfactorio antes de comenzar la
producción general de hormigón. La investigación fue realizada en 2 partes (una
en el Centro de investigación y desarrollo de la construcción (CIDC) donde se
produjeron 2 cementos, un P35 patrón y un CBC con 50 % de sustitución) y la
segunda en el laboratorio de materiales de la facultad de construcciones en la
UCLV donde se realizaron los diseños y producción de hormigones, así como los
ensayos de resistencia a compresión.
2.2 Materiales.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
37
Para la fabricación de los hormigones se emplean 2 tipos de cementos, CBC con
50 % de sustitución y P35 así como 3 fracciones de áridos diferentes las cuales
van desde la fracción más gruesa 19.0-10 mm, media de 10-5 mm y fina de 5-
0mm. Las fracciones tanto gruesa como media proceden de la cantera de
Palenque y la fracción más fina de la cantera del Hoyo en Manicaragua, el aditivo
a emplear es Dynamon SX 32.
2.2.1 Cemento.
Los cementos empleados para la fabricación del hormigón fueron producidos en
CIDC los cuales consistían en dos variantes, una de CBC con 50 % de sustitución
del clínquer relación arcilla calcinada – caliza 2:1 y otra de P 35 como patrón. La
arcilla procede del yacimiento el Yigre en Yaguajay, y el clínquer de la fábrica de
cemento de Siguaney.
Figura 2.1 Cemento Portland. Figura 2.2 Cemento de bajo carbono.
Tabla 2.1 Características físico-químicas de los cementos.
Cemento Peso específico
(g/cm3)
Finura (%pasado
por 90 µ)
Superf.especí
(Blaine)
(cm2/g)
CP 3.14 10.84 2601.17
LC3 2.96 4.22 5666.56
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
38
Cemento SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 RI PPI CaO
libre
Patrón 18.88 3.14 5.09 61.07 1.27 3.32 4.09 3.42 1.54
LC3 27.54 1.79 3.78 49.21 2.54 3.14 22.27 8.61 1.64
2.2.2 Áridos.
Poseen tres fracciones de tamaño diferentes lo que facilita el empaque máximo y
un contenido mínimo de vacío, ya que presentan buena granulometría.
2.2.2.1 Árido grueso.
Caracterización físico granulométrica de la fracción gruesa de los áridos.
Figura 2.3 Árido Grueso.
Material: Fracción 19.0-10 mm.
Procedencia: Palenque.
Tabla 2.2 Ensayos físicos a la fracción gruesa.
Ensayos Resultado NC 251:2013
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
39
Material más Fino que 0.074 mm (%) 2.9 1.0
Peso Específico Corriente 2.54 2.5
Peso Específico Saturado 2.58
Peso Específico Aparente 2.7
Absorción (%) 1.72 3.0
Masa Volumétrica Suelta (kg/m3) 1408
Masa Volumétrica Compactada (kg/m3) 1529
Porciento de Huecos (%) 39.76
Tabla 2.3 Análisis granulométrico fracción gruesa.
Tamices
25.0
mm
19.0
mm
12.5
mm
9.5
mm
4.75
mm
2.36
mm
%
Pasado
100 87 33 5 2 0
Especificación
NC 251:2013
100 90-100 20-55 0-15 0-5
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
40
Figura 2.4 Curva granulométrica del árido grueso.
El árido grueso de la cantera de Palenque cumple con los requerimientos
establecidos en la “NC 251-2013 Áridos para hormigones hidráulicos. Requisitos”.
2.2.2.2 Granito
Caracterización físico granulométrica de la fracción media de los áridos.
Figura 2.5 Árido medio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
4.75 9.5 12.5 19.0 25.0
Pas
ad
o (
%)
Tamices (mm)
Árido grueso fraccion 19-9mm
Árido grueso
NC 251:2013 min
NC 251:2013 max
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
41
Material: Fracción10-5 mm.
Procedencia: Palenque.
Tabla2.4 Ensayos físicos a la fracción media.
Ensayos Resultado NC251:2013
Material más Fino que 0.074 mm (%) 2.8 1.0
Peso Específico Corriente 2.63 2.5
Peso Específico Saturado 2.68
Peso Específico Aparente 2.8
Absorción (%) 1.74 3.0
Masa Volumétrica Suelta (kg/m3) 1400
Masa Volumétrica Compactada (kg/m3) 1504
Porciento de Huecos (%) 43.00
Tabla 2.5 Análisis granulométrico fracción media.
Tamiz No
12.5
mm
9.5
mm
4.75
mm
2.36
mm
1.18
mm
%
Pasado
100 99 17 3 2
NC
251:2013
100 85-100 15-35 0-10 0-5
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
42
Figura 2.6 Curva granulométrica del árido medio.
2.2.2.3 Árido fino.
Caracterización físico granulométrica de la fracción fina de los áridos.
Figura 2.7 Árido Fino.
Material: Fracción 5-0 mm.
Procedencia: El Hoyo.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1.18 2.36 4.75 9.5 12.5
Pas
ad
0 (
%)
Tamices (mm)
Árido Medio fraccion 9-5mm
Árido medio
NC 251:2013 min
NC 251:2013 max
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
43
Tabla2.6 Ensayos físicos a la fracción fina.
Ensayos Resultado NC 251:2013
Material más Fino que 0.074 mm (%) 1.6 Observaciones.
Pesos Específicos Corriente 2.55 2.5
Pesos Específicos Saturado 2.61
Pesos Específicos Aparente 2.7
Absorción (%) 2.07 3.0
Masa Volumétrica Suelta (kg/m3) 1470
Masa Volumétrica Compactada (kg/m3) 1626
Porciento de Huecos (%) 36.08
Módulo de Finura 2.90 2.20-3.58
Tabla 2.7 Análisis granulométrico fracción fina.
Tamiz No
9.5
mm
4.75
mm
2.36
mm
1.18
mm
600
μm
300
μm
150
μm
%
Pasado
100 99 79 58 38 24 12
NC
251:2013
100 90-
100
70-
100
45-80 25-60 10-30 2-10
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
44
Figura 2.8 Curva Granulométrica de árido fino.
Observaciones: En el ensayo T 200, la NC 251:2013 plantea que para hormigones
sometidos a la abrasión y a exposición al ambiente marino el porciento pasado por
el tamiz de 75 μm debe ser ≤ 3.0%.Para los restantes hormigones es ≤ 5%.(NC,
251-2013).
2.2.3 Agua.
El agua empleada es la que se utiliza en el laboratorio de materiales de la facultad
de construcciones de la UCLV, para la elaboración de hormigones y otros trabajos
de laboratorio, la cual se considera adecuada según lo especificado en la “NC
353-2004 Aguas para el amasado y curado del hormigón y los morteros.
Especificaciones".
2.2.4 Aditivo químico.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.150 0.300 0.600 1.180 2.360 4.75 9.50
Pas
ad
o (
%)
Tamices (mm)
Árido fino fraccion 0-5mm
Árido fino
NC 251:2013 min
NC 251:2013 max
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
45
El aditivo empleado es el Dynamon SX 32, es un aditivo líquido superplastificante
que logra una significativa reducción del agua de amasado garantizando una
elevada trabajabilidad y prestaciones mecánicas. Este aditivo es capaz de lograr
consistencia de S4 ò S5 según la norma EN 206- 1. Dynamon SX 32 es una
solución acuosa al 22,1% de polímeros acrílicos, exenta de formaldehidos, capaz
de dispersar eficazmente los gránulos del cemento, con componentes secundarios
que mejoran notablemente la cohesión.(MAPEI, 2000).
Figura 2.9 Aditivo Superplastificante Dynamon SX32.
Tabla 2.8 Datos técnicos del aditivo SX32.
Datos Técnicos.
Aditivo Dynamon SX 32
Consistencia Liquida
Color Ámbar
Densidad según ISO 785 (g/cm3) 1.08 + 0.02 + 200C
Residuo seco según EN 934-2 22.1 + 1.1
Acción principal Aumento y conservación de la trabajabilidad
y/o reducción de agua
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
46
Clasificación según EN 934-2 Reductor de agua de alta eficacia /
superfluidificante, prospero 11.1-11.2
Cloruros solubles en agua según EN
840-10 (%)
˂ 0.1 (Ausentes según EN 934-2)
pH según la ISO 4316 6.5 + 1
Conservación 12 meses en los envases originales no
abiertos, proteger del hielo
Clasificación de peligrosidad según
la directiva 1999/45/CE
Ninguna
2.3 Diseño experimental de la investigación.
La investigación se desarrolló en el laboratorio de materiales de la Facultad de
Construcciones de la UCLV, dado la experiencia del personal técnico y profesional
del centro en materia de ensayos al hormigón y la disponibilidad de los
instrumentos y métodos de trabajo.
En la experimentación se emplea un diseño factorial basado en un grupo de
variables establecidas en un entorno dado la experiencia de trabajos e
investigaciones anteriores con dichos constituyentes que se enuncian a
continuación.
2.3.1 Variables Independientes.
Contenido de cemento.
Se realizaron cuatro mezclas por cada edad establecida de 3,7 y 28 días, cada
una está basada en una dosificación previamente calculada. La cantidad de
cemento por amasada se obtuvo aplicando el método de diseño de mezclas de
Toufar. Tanto para las mezclas patrón como para las realizadas con CBC se
utilizaron las mimas dosificaciones.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
47
Relación a/c.
Se fijó una relación a/c de 0.4, 0,45, 0,50 y 0.55 según el tipo de hormigón a en
función del medio ambiente que interactúa según lo estipulado por NC 120: 2014
Hormigón hidráulico especificaciones.
Cantidad de aditivo. El empleo del tipo y contenido de aditivo Dynamon RX32 estuvo en dependencia
del asentamiento obtenido en las mezclas, utilizando el método del cono de
Abrams.
2.3.2 Variables dependientes
Asentamiento.
Se midió el asentamiento como efecto del aditivo en la fluidez de las mezclas
mediante el cono de Abrams según la NC 174: 2002 (Hormigón fresco. Medición
del asentamiento por el cono) y se establece un intervalo del asentamiento entre
7 y 9 cm.
Resistencia a compresión.
La resistencia del hormigón determinada mediante las especificaciones de la
Norma NC 244:2005 (Hormigón hidráulico resistencia a compresión), es un
resultado que depende de todo el proceso, materiales, método empleado y
variables, y fue analizada a los 3, 7 y 28 días.
2.3.3 Procedimientos.
Selección de los constituyentes del hormigón.
Se seleccionan los materiales constituyentes del hormigón, que en este caso
fueros tres fracciones de áridos, cemento, agua y aditivo químico.
Diseños de mezclas.
Los diseños de mezclas se realizan por el método de Toufar donde se obtienen
las dosificaciones gravimétricas de los materiales para un metro cúbico.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
48
Elaboración de las mezclas de hormigón.
Primeramente se pesan los constituyentes realizando las correcciones por
humedad correspondientes a cada material, luego se realiza el mezclado de los
mismos en una hormigonera de eje vertical con un tiempo de mezclado de 3
minutos.
Cheque de asentamiento.
Se realizó a través del ensayo del cono de Abrams según lo establece la NC
174:2002.
Toma de muestras.
Se realizó llenando moldes cilíndricos de 10x20cm a razón de dos capas iguales
compactadas con vibrados de inmersión según lo estimado en la NC 221:2002.
Curado de los especímenes.
El curado se realiza una vez desmoldados las probetas pasadas 24 horas + 8 se
sumergen en agua según lo estipula la NC 221:2002.
2.4 Diseño de mezclas. EL diseño de mezclas para obtener las distintas proporciones de los materiales
componentes del hormigón fue realizado por el método de Toufar. De este diseño
se tomaron solo las dosificaciones gravimétricas de los áridos teniendo en cuenta
su granulometría, su porciento de absorción, contenido de humedad así como sus
pesos específicos sueltos y compactados, las relaciones agua /cemento y las
cantidades de cementos fueron fijadas según lo que establece la norma cubana
para cada tipo de ambiente agresivo. Para poder realizar esta combinación de
diseños se realizó un ajuste en las cantidades de áridos a utilizar según las
cantidades de cemento fijadas a través de las ecuaciones de volúmenes
absolutos. Los resultados de los cuatro diseños de mezclas se muestran a
continuación.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
49
Figura 2.10 Diseños de mezclas del Toufar.
Las cantidades de cementos obtenidas aplicando el método Toufar no se
adecuan a las limitantes en cuanto al contenido de cemento que propone la norma
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
50
cubana NC 120:2014 según la agresividad para estructuras de hormigón
sometidas a diferentes niveles de agresividad: muy alta a baja, de ahí que se
exigió el ajuste de las cantidades de cementos y áridos para las diferentes
mezclas.
Para los diferentes niveles de agresividad y un cemento Portland P 35 a
continuación se establece la dosificación de las mezclas.
Tabla 2.9 Dosificación gravimétrica kg/m3 de hormigón con CP.
Tipo
mezcla
Agresividad
NC
120:2014
f'c
(Mpa)
Relación
a/c
Cem
(kg)
Aditivo
SX-32
(kg)
A.fino
(kg)
A.Medio
(kg)
A.Grueso
(kg)
Agua
(kg)
H1 Muy Alta 35.0 0.40 430 3.87 634 352 775 172
H2 Alta 30.0 0.45 405 3.65 651 362 796 182
H3 Media 25.0 0.50 375 3.4 671 373 820 188
H4 Baja 20.0 0.55 345 3.1 690 384 844 190
Los diseños de mezclas para los hormigones elaborados con CBC solo variaron
en cuanto a la dosis de aditivo empleada, la cual fue del 2% del peso del cemento.
Tabla 2.10 Dosificación gravimétrica kg/m3 de hormigón con LC3.
Tipo
mezcla
Agresividad
NC
120:2014
f'c
(Mpa)
Relación
a/c
Cem
(kg)
Aditivo
SX-32
(kg)
A.fino
(kg)
A.Medio
(kg)
A.Grueso
(kg)
Agua
(kg)
H1 Muy Alta 35.0 0.4 430 8.6 634 352 775 172
H2 Alta 30.0 0.45 405 8.1 651 362 796 182
H3 Media 25.0 0.5 375 7.5 671 373 820 188
H4 Baja 20.0 0.55 345 6.90 690 384 844 190
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
51
2.5 Preparación, mezclado, transporte y vertido de los constituyentes del
hormigón.
2.5.1 Ensayos físico-mecánicos y químicos utilizados.
Tabla2.11 Producción de hormigón.
| Resistencia a
la
compresión
Sitios de Exposición. Prof.
Carb.
Permeabilidad al
aire
10 x 20 cm 25x20
cm
10x20
cm
15x30
cm
10x20
cm
15x30
cm
15x15x15
cm
Mezclas
LC3
3d 7d 28d 28d 0d 3d 0d 3d 0d 3d
H1 3 3 3 2 6 2 2 2 3 3 1 1
H2 3 3 3 2 6 2
H3 3 3 3
H4 3 3 3 2 6 2
CPO
H1 3 3 3 2 6 2 2 2 3 3 1 1
H2 3 3 3 2 6 2
H3 3 3 3
H4 3 3 3 2 6 2
Total 24 24 24 12 36 12 4 4 6 6 2 2
Volumen
(l )
113 420 13 64 14
Volume
Total
625 litros
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
52
En este trabajo se analizó la resistencia a la compresión a las edades de 3, 7 y 28
días de edad.
2.5.2 Elaboración de hormigón.
Las mezclas producidas se realizaron en una hormigonera de eje horizontal con
una capacidad de producción de 25 litros. Cada amasada se realizó con un
volumen de solo 7 litros debido a que por día se elaboró el hormigón de solo una
edad por serie, por ejemplo el primer día se ejecutó el hormigonado de la serie
LC3 con la edad de 28 días de curado o sea doce probetas en total , 3 por mezcla.
Figura 2.11 Hormigonera de eje Horizontal.
2.5.3 Chequeo de consistencia.
Se realizó la medición del asentamiento por el método del cono de Abrams a cada
una de las amasadas. Para ello se produjo a llenar el cono en tres capas
compactadas cada una con varilla mediante 25 golpes según establece la norma
“NC 174-2002 Hormigón fresco. Medición del asentamiento por el cono”. El
procedimiento se realizaba para cada mezcla hasta lograr que esta tuviese el
asentamiento fijado el cual era en un rango de 7-9 cm.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
53
Figura 2.12 Ensayo de consistencia con el Cono de Abrams.
2.5.4 Evaluación de especímenes del hormigón endurecido.
Para la evaluación de los especímenes se emplearon moldes cilíndricos de 10 x
20, a los cuales se les agregó el hormigón manualmente a razón de dos capas
iguales, para ser compactado con un vibrador de inmersión de diámetro 0,25 d (no
mayor a 40 mm) y de una frecuencia mayor o igual a 7000 r.p.m. (150 Hz) durante
aproximadamente 5 segundos, según lo establecido en ASTM C 31/C 31M – 03ª
Práctica Normalizada para la preparación de las probetas para ensayo del
hormigón. Los moldes se retiraron al día siguiente para ser utilizados con el
próximo hormigón.
Figura 2.13 Moldes Cilíndricos 10x20.
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
54
Figura 2.14 Especímenes de hormigón endurecidos.
2.5.5 Curado de las probetas.
El curado de las probetas se realizó sumergiendo los especímenes desmoldados
una vez pasadas la 24 + 8 horas. El tiempo de curados se extendía hasta que el
hormigón alcanzara las edad de tres, siete, y veintiocho días respectivamente.
Figura 2.15 Curado de especímenes.
2.5.6 Resistencia mecánica a compresión a edades de 3; 7 y 28 días.
El comportamiento mecánico de los hormigones fabricados se evaluó mediante los
ensayos a compresión realizados en el laboratorio de materiales de la Facultad de
Construcciones de la UCLV. Para ello se tomaron 3 probetas de 10x20cm por
cada serie y por cada mezcla para ser ensayadas a los 3; 7 y 28 días resultando
un total de 72 especímenes. Los requerimientos del ensayo a compresión se
encuentran en NC 724-2009 Ensayos del hormigón. Resistencia del hormigón en
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
55
estado endurecido. Para poner en práctica el ensayo se colocaron las probetas
cilíndricas centradamente en el plato de la máquina y se le aplicó una fuerza con
carga continua a razón de 1mm x minuto hasta su rotura.
Figura 2.16 Ensayo de resistencia a compresión.
2.6 Conclusiones parciales. 1. La adecuada granulometría de los áridos garantiza el empaquetamiento
máximo de la mezcla dando como resultado un menor contenido de vacío,
el cual sería ocupado por la pasta de cemento y por tanto un menor
contenido de cemento a emplear; siempre y cuando los áridos garanticen
una adecuada resistencia mecánica.
2. La resistencia mecánica de las mezclas diseñadas por Toufar dependen en
gran medida de la resistencia de los áridos empleados y los contenidos de
cemento que estas proponen no cumplen con las especificaciones de la
norma cubanas.
3. En las mezclas elaboradas con cemento de bajo carbono la dosis de
aditivo fue duplicada debido a que estas presentan mayor absorción de
CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO
DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.
56
agua gracias a la elevada superficie específica que presentan dichos
cementos.
4. El empleo de aditivos súper plastificantes en mezclas con relación a/c
bajas garantiza la adecuada laborabilidad o trabajabilidad del hormigón,
garantizando su adecuada colocación y compactación así como una
elevada resistencia mecánica.
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
57
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
En el presente capítulo se exponen los resultados de resistencia a compresión
arrojados por los especímenes confeccionados con CBC y cemento Portland para
cuatro diseños de mezclas, las cuales fueron ensayadas a las edades de tres,
siete y veintiocho días respectivamente. En cada diseño se fija una relación agua
cemento y una resistencia determinada la cual sirve de base de comparación para
los resultados obtenidos.
3.1 Resultados de los ensayos realizados al hormigón fresco.
Asentamiento utilizando el cono de Abram.
Uno de los ensayos realizados al hormigón fresco fue el de consistencia mediante
el cono de Abram en el cual se pretendían lograr asentamiento fijados entre 7 y 9
cm logrando consistencias entre plásticas y blandas. Para el mismo fue necesario
aplicarles dosis de aditivos el cual varió para cada tipo de cemento y no para el
tipo de mezcla o sea el porciento de aditivo con respecto a la cantidad de cemento
a emplear se mantuvo constante en las cuatro mezclas de un mismo cemento ; a
continuación se exponen los resultados.
Tabla 3.1 Asentamientos en mezclas con LC3.
Mezclas
LC3
Asentamientos % Aditivo Volumen (g)
H1 7.5 8 7 2 60.2
H2 7.6 7.8 8 2 56.8
H3 8 7.5 8 2 52.6
H4 9 8.5 9 2 48.4
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
58
Tabla 3.2 Asentamientos en mezclas con CP
Figura 3.1 Asentamiento de las mezclas.
3.2 Resultado de los ensayos de resistencia a compresión.
2
0,9
0
0,5
1
1,5
2
2,5
70-90
% D
E A
DIT
IVO
ASENTAMIENTO
Contenido del aditivo SX-32 para las mezclas
LC3
CP
Mezclas
CP
Asentamientos % Aditivo Volumen (g)
H1 8 8.5 9 0.9 27.1
H2 8.2 8 8.5 0.9 25.6
H3 8 8 8.5 0.9 23.8
H4 8.7 8.5 8 0.9 21.7
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
59
Para analizar los resultados se tomaron 3 probetas por mezcla para cada uno de
los cementos empleados para ser ensayadas a 3, 7 y 28 días. A continuación se
muestran las tablas con dichos resultados.
Tabla 3.3 Ensayos de resistencia a compresión del hormigón.
Hormigón LC3
f´c 3 (MPa)
Hormigón CP
f´c 3 días (MPa)
Probetas H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4
1 14 11 8
7 22 18 14 12
2 14 11 7 7 24 17 15 12
3 14 9 8 7 24 17 14 12
Valor
Medio
14 10.33 7.66 7 23.33 17.33 14.33 12
Desv
estándar
0 1.154 0.57 0 1.154 0.577 0.577 0
Tabla 3.4 Ensayos de resistencia a compresión del hormigón.
Hormigón LC3
f´c 7 días (MPa)
Hormigón CP
f´c 7 días (MPa)
Probetas H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4
1 20,0 17,0 16,0 12,0 30,0 22,0 18,0 14,0
2 20,0 16,0 15,0 12,0 31,0 24,0 20,0 15,0
3 22,0 16,0 14,0 12,0 29,0 23,0 18,0 15,0
20,6 16,3 15,0 12,0 30,0 23,0 18,6 14,7 Media
Desv. 1,2 0,6 1,0 0,0 1,0 1,0 1,2 0,6
estándar
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
60
Tabla 3.5 Ensayos de resistencia a compresión del hormigón.
Serie LC3 f´c a los 28 días (MPa) Serie CP f´c a los 28 días
(MPa)
Probetas H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4
1 35 28 22 18 34 28 23 20
2 37 27 22 19 35 28 23 20
3 37 26 23 19 33 28 23 19
Valor
Medio 36,3333333 27 22,333333 18,666667 34 28 23 19,666667
Desv
estándar 1,1547 1 0,5773503 0,5773503 1 0 0 0,5773503
A continuación se muestran los resultados de resistencia a compresión en la
siguiente tabla resumen.
Tabla 3.6 Resistencia a 3 días de curado.
f´c a los 3 días(MPa)
Mezclas H1
w/c=0.4
H2
w/c=0.45
H3
w/c=0.5
H4
w/c=0.55
Series CP 23 17 14 12
Series LC3 14 10 8 7
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
61
Figura 3.2 Resistencia a compresión a tres días de curado.
Tabla 3.7 Resistencia a 7 días de curado.
23
17
1412
14
108
7
0
5
10
15
20
25
H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55
F´ C
(MP
A)
MEZCLAS
Resistencia a compresión de las mezclas
Serie CP
Serie LC3
f´c a los 7 días(MPa)
H1
w/c=0.4
H2
w/c=0.45
H3
w/c=0.5
H4
w/c=0.55
Series CP 30 23 19 15
Series LC3 21 16 15 12
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
62
Figura 3.3 Resistencia a compresión a siete días de curado.
Tabla 3.8 Resistencia a 28 días de curado.
30
23
19
15
21
16 1512
0
5
10
15
20
25
30
35
H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55
F´C
(MP
A)
Mezclas
Resistencia a compresión de las mezclas
Serie CP Serie LC3
f´c a los 28 días(MPa)
H1
w/c=0.4
H2
w/c=0.45
H3
w/c=0.5
H4
w/c=0.55
Serie CP 34 28 23 20
Serie LC3 36 27 22 19
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
63
Figura 3.4 Resistencia a compresión a 28 días de curado.
A continuación se muestra el comportamiento para cada mezcla según la edad y
el tipo de cemento empleado.
34
28
2320
36
27
2219
0
5
10
15
20
25
30
35
40
H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55
F´C
(MP
A)
Mezclas
Resistencia a compresión de las mezclas
Serie CP Serie LC3
23
30
34
14
21
36
0
5
10
15
20
25
30
35
40
3dias 7dias 28dias
F´C
(MP
A)
Dias de curado
Mezcla H1 w/c=0.4
CP
LC3
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
64
Figura 3.5 Resistencia a compresión de la mezcla H1 a tres, siete y
veintiocho días de curado.
Figura 3.6 Resistencia a compresión de la mezcla H2 a tres, siete y
veintiocho días de curado.
17
23
28
10
16
27
0
5
10
15
20
25
30
3dias 7dias 28dias
F´C
(MP
A)
Dias de curado
Mezcla H2 w/c=0.45
CP
LC3
14
19
23
8
15
22
0
5
10
15
20
25
3dias 7dias 28dias
F´C
(MP
A)
Dias de curado
Mezcla H3 w/c=0.5
CP
LC3
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
65
Figura 3.7 Resistencia a compresión de la mezcla H3 a tres, siete y
veintiocho días de curado.
Figura 3.8 Resistencia a compresión de la mezcla H4 a tres, siete y
veintiocho días de curado.
3.3 Conclusiones parciales.
1 Teniendo en cuenta que la arcilla presenta mayor superficie específica que
el clínquer, fue necesario emplear mayor cantidad de aditivo en las mezclas
elaboradas con cemento de bajo carbono, para lograr la consistencia fijada
en el hormigón, manteniendo la misma relación agua cemento.
2 Aplicando una proporción de aditivo de 2% del peso del cemento en las
mezclas de hormigón, elaboradas con cemento de bajo carbono, se
obtuvieron asentamientos entre 7 y 9cm en el Cono de Abrams.
12
15
20
7
12
19
0
5
10
15
20
25
3dias 7dias 28dias
F´C
(MP
A)
Dias de curado
Mezcla H4 w/c=0.55
CP
LC3
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
66
3 Las mezclas elaboradas con cemento de bajo carbono a los tres y siete
días presentan menor resistencia mecánica que las elaboradas con
cemento Portland.
4 A edades superiores a 28 días las mezclas realizadas con LC3 deberían
superar en resistencia a compresión a las confeccionadas con CP.
CONCLUSIONES GENERALES
67
CONCLUSIONES GENERALES.
1. El empleo de un cemento de bajo carbono LC3 en Cuba, podría representar
mejora de la disponibilidad de un nuevo cemento para la población, el
ahorro en costos de producción y comercialización en la red nacional y la
reducción de emisiones de CO2 a la atmosfera para la industria cementera
cubana.
2. Los hormigones producidos con el cemento de bajo carbono presentan
mayor demanda de agua, lo cual podría estar asociado a la alta superficie
específica, de mantener relaciones a/c bajas en las mezclas de hormigón
exige el empleo de aditivos fluidificantes de tercera generación y de
superiores dosis con respecto a las mezclas con cemento Portland.
3. El comportamiento de la resistencia a compresión de los hormigones a
base de cemento de bajo carbono en edades tempranas es menor asociado
a la hidratación y endurecimiento del cemento LC3 en las mezclas.
4. El diseño de mezclas mediante el método Toufar exige del empleo de las
diferentes granulometrías de los áridos, para lograr las proporciones
adecuadas que mejore el empaquetamiento de los áridos.
5. El comportamiento de la resistencia a compresión de los hormigones a
base de cemento de bajo carbono a edad de 28 días, es similar a los
confeccionados con CP, incluso superior en las mezclas con relación a/c
=0.4.
RECOMENDACIONES.
68
RECOMENDACIONES.
1. Evaluar en el estudio de laboratorio la influencia del tipo y contendido de
aditivos que mejore la compatibilidad y comportamiento en la pasta de
cemento y del hormigón fresco.
2. Realizar ensayos de resistencia mecánica a una edad superior (56,90, 365
días), a la vez que permitan evaluar la durabilidad y permeabilidad en el
tiempo.
3. Realización de los trabajos de hormigonado en pequeñas plantas para
evaluar el comportamiento de mayores volúmenes de mezclas y pruebas.
BIBLIOGRAFÍA
69
BIBLIOGRAFÍA.
ALUJAS DÍAZ, A. 2010. Obtención de un material puzolánico de alta
resistencia a partir de la activación térmica de una fracción arcillosa
multicomponente. Tesis Doctoral., UCLV.
ANDRÉS, L. M. V. 2014. CEMENTO DE BAJO CARBONO A PARTIR DEL
SISTEMA CEMENTICIO TERNARIO CLÍNQUER – ARCILLA CALCINADA -
CALIZA. Doctor en Ciencias Técnicas., UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA
ABREU DE LAS VILLAS.
ANONIMUS. 2013. Fraguado del concreto [Online]. [Accessed].
BOLIVAR, O. G. 2010. DOSIFICACION DE MEZCLAS DE HORMIGÓN
METODOS.
BROWN, G. 1961. The X-ray Identification and Clay Structures of Clay
Minerals Mineralogical Society. London.
CUJAE 2007. Método para dosificar mezclas de hormigón con baja
consistencia.
DAY, R. 2011. ENCI 513 – Rational Concrete Mix Design Procedures Centred
on Aggregate Packing and Volumetric Analysis.
DOPICO, J. J. 2009. Contribución al uso de la adición mineral cal - puzolana,
como sustituta parcial de altos volúmenes de cemento portland en la
obtención de un hormigón estructural. Doctor en Ciencias, Universidad
Central Marta Abreu de Las Villas.
EDDY.H. 2011. Notas de Hormigon Armado.Granulometria de los áridos
[Online]. Available: Deluxe Templates.net [Accessed].
FELDMAN, R. F. 1984). Pore Structure Damage in Blended Cements Caused
by Mercury Intrusion. . Journal of American Ceramic Society, 67, 30-33.
BIBLIOGRAFÍA
70
GRIMAN, J. C. 2012. Caracteristicas y comportamientos del hormigon
[Online]. [Accessed].
HELLER-KALLAI, L. 2006. Hanbook of clay science.
HUANCA, S. L. 2006. Diseño de Mezclas de Concreto. Puno – Perú:
Universidad Nacional del Altiplano Facultad de Ingeniería Civil.
INGALA, W. P. A. 2006. MATERIAL DE APOYO DIDACTICO PARA LA
ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA MATERIALES DE
CONSTRUCCION (GUIA DE LAS PRACTICAS DE CAMPO Y NORMAS DE
CALIDAD). Tesis de Licenciatura, Universidad Mayor de San Simón,
Cochabamba.
KELHAN, S. 1988. A water absorption test for concrete. Magazine of Concrete
Research (USA).
LARA, R. C. 2010. Puzolanas de alta reactividad a partir de la activación
térmica y mecánica de una arcilla caolinítica de baja pureza. Tesis de
Doctorado Deparatamento de Ingeniería Civil, UCLV.
MAPEI 2000. Dynamon SX32.
MARTIRENA, F. 2011. Reporte sobre Estudio de factibilidad para la
producción de metakaolín en Cuba.
MARTIRENA, J. F. 2003. Una alternativa ambientalmente compatible para
disminuir el consumo de aglomerante de clínker de cemento Pórtland: el
aglomerante cal-puzolana como adición mineral activa. Tesis de Doctorado,
Universidad Central de Las Villas (UCLV).
MEDEROS, K. M. 2013. Evaluación de hormigones a partir del uso de nuevos
aglomerantes ternarios sobre la base del sistema clínquer- arcilla calcinada-
carbonato de calcio. Tesis de Ingeniería, Deparatamento de Ingeniería Civil,
UCLV.
BIBLIOGRAFÍA
71
MEGAT, J. 2011. Influence of supplementary cementitious materials on
engineering properties of high strength concrete. Construction and Building
Materials.
MEHTA, P. K. 2001. La reducción del impacto ambiental del hormigón.
Concrete International.
MENA, K. 2013. Evaluación de hormigones a partir del uso de nuevos
aglomerantes ternarios sobre la base del sistema clínquer- arcilla calcinada-
carbonato de calcio. Tesis de Diploma, , Universidad Central "Marta Abreu"
de Las Villas.
MENÉNDEZ, G. 2008. The Experimental Design and the Technology of
Concrete. BONAVETTI, V. L. & IRASSAR, E. F.
MORALES, G. 2010. Influencia del empleo de sulfato de sodio como
activador químico en morteros de cemento con adiciones cal-puzolana.
Tesis de Diploma, Universidad Central “Marta Abreu” De Las Villas.
MÜLLER, C. 2013. Durability Requirements for Concrete Today and in the
Future.
MULLER, C. J. 2005. Pozzolanic activity of natural clay minerals with respect
to environmental geotechnics.
NC 167-2002. HORMIGON FRESCO. TOMA DE MUESTRAS.
NC 174-2002. HORMIGON FRESCO. MEDICION DEL ASENTAMIENTO POR EL
CONO.
NC 207-2003. REQUISITOS GENERALES PARA EL DISEÑO Y
CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON.
NC 221-2002. HORMIGON. ELABORACION DE PROBETAS PARA ENSAYOS.
BIBLIOGRAFÍA
72
NC 244-2005. HORMIGÓN ENDURECIDO ⎯ DETERMINACIÓN DE LA
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN PROBETAS CILÍNDRICAS.
NC 250-2005. REQUISITOS DE DURABILIDAD PARA EL DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE EDIFICACIONES Y OBRAS CIVILES DE HORMIGÓN
ESTRUCTURAL.
NC 251-2013. ÁRIDOS PARA HORMIGONES HIDRÁULICOS — REQUISITOS.
NC 353-2004. AGUAS PARA EL AMASADO Y CURADO DEL HORMIGÓN Y
LOS MORTEROS—ESPECIFICACIONES.
NC 354-2004. HORMIGÓN FRESCO—DETERMINACIÓN DE LA
TEMPERATURA.
NC 2014. HORMIGON HIDRÁULICO — ESPECIFICACIONES.
NIELSEN, K. A. 1991. Thermal analysis in the research and development of
advanced technical ceramics.
ORTEGA, P. J. A. 2012. Optimización del esqueleto granular mediante la
utilización del método de superficies de respuestas (MSR). Diseño de
mezclas. Universidad Politécnica de Cartagena.
RODRÍGUEZ, S. B. Year. Introducción al hormigón hidráulico. In, 2014
Facultad de Construcciones, UCLV.
SALAZAR, A. 2002. Síntesis de la tecnología del concreto. Una manera de
entender a los materiales compuestos”, Cali.
SHAKHMENTO, G. 2000. CONCRETE MIX DESING AND OPTIMIZATION.
BIBLIOGRAFÍA
73
TALERO, R. 2005. Performance of metakaolin and Portland cements in
ettringite formation as determined by ASTM C 452-68: kinetic and
morphological differences. Cement and Concrete Research [Online], 35.
Available: www.sciencedirect.com [Accessed 18 de Febrero de 2015].
TOLEDO, J. E. M. 2014. tecnologia del acero y el concreto A.: Universidad
Catolica de Loja.
WORRELL, E. 2009. Energy Efficiency. 2.
Bibliografía Consultada
AMIRJANOVB, K. S. A. 2004. The development of a simulation model of the
dense packing of large particulate assemblies. Powder Technology, 155–
160.
ANTONI M. **, R. J., F. MARTIRENA, SCRIVENER K. 2011. Cement
substitution by a combination of metakaolin and limestone.
ANTONI M. , R. J., SCRIVENER K. 2010. Investigation of cement substitution
by combined addition of calcined clays and limestone.
ASTM 1231-2000. Concrete capping cylindrical speciment whit unbonded
caps.
BARRERA, C. A. R. Y. H. 2003. INFLUENCIA DE ARIDOS FINOS EN LAS
PROPIEDADES AUTOCOMPACTANTE Y MECANICAS DEL HORMIGON.
Revista Ingeniería De Construcción, 18 N°1, 40-46.
CALLEJA, J. 2000. Hormigón con bajo contenido de cemento y hormigón
con sustitución parcial de cemento.
BIBLIOGRAFÍA
74
CAMPOSANO, J. A. 2009. Control de Calidad en el Hormigón. Notas
Técnicas.
CANNON, R. W. 1970. Proportioning Fly Ash Concrete Mixes for streng and
economy.
COPPOLA, L. 2010. SELF-COMPACTING CONCRETE. C O N C R E T E T E C
H N O L O G Y.
DOUGLAS, R. P. 2004. Properties of Self-Consolidating Concrete Containing
Type F Fly Ash. MASTER OF SCIENCE, NORTHWESTERN UNIVERSITY.
DUNCKEY, P. 2011. Designing effective sand and mortar mixes for Micro
Concrete Roof Tiles (MCR). In: ECOSOROUTH (ed.).
JORDÁN., S. L. 2009. ENSAYOS DE HORMIGON EN ESTADO FRESCO Y
ENDURECIDO.
LUCÍA GARÍN1, A. S., EDUARDO PEJOJA3 2012. Influence of concrete curing
on concrete compressive strength: an experimental study. Memoria de
Trabajos de Difusión Científica y Técnica.
LULU BASHEER A, U., JOERG KROPPB, DAVID J. CLELANDC 2001.
Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a
review. Construction and Building Materials, 93-103
.
SANCHEZ, N. L. 2013. Fraguado y endurecimiento del hormigon [Online].
Available: CivilGeeks.com [Accessed].
BIBLIOGRAFÍA
75
YOUJUN XIE, Y. L., GUANGCHENG LONG 2013. INFLUENCE Of AGGREGATE
ON PROPERTIES OF SELF-CONSOLIDATING CONCRETE.
Anexos.
76
Anexos.
Anexo1.Molino de bolas del CIDC.
Anexo2.Llenado de Moldes, compactacion y acabado.
Anexos.
77
Anexo3.
Ensayo de consistencia por el cono de Abrams.
Anexo4.Ensayo de Resistencia a compresion.
Anexos.
78
Anexo 5.Medicion del pH del agua del tanque de curado.
Anexo 6.Resistencia a compresión de las pastas de cemento a siete días.
Cemento f `c (MPa)
CPO
40.0 44.63
40.0 46.875 48.125 48.125
LC3
33.33 30.83 30.625
30.625
Top Related