Diseño de Mezcla y Caracterización Físico- Mecánica de un Concreto de Alta

Resistencia Fabricado con Cemento

Luis Enrique Giraldo López1, Yamid Alejandro Ramos Zúñiga1

1. Estudiante de la Pontificia Universidad Javeriana – Cali

legiraldo@javerianacali.edu.co; yaramos@javerianacali.edu.co

Resumen. En la ciudad de Santiago de Cali

y en Colombia, se emplean frecuentemente

concretos con resistencias convencionales

entre 21 MPa (3000 Psi) y 28 MPa (4000

Psi). Este proyecto de investigación pretende

dar a conocer los beneficios que el uso de

concreto de alta resistencia puede proveer.

Para el desarrollo de este proyecto se llevó a

cabo en primera instancia la realización de

285 cilindros de concreto en los laboratorios

de ingeniería civil de la Pontificia

Universidad Javeriana de Cali donde se

estudiaron las distintas propiedades

mecánicas y físicas para elementos

sometidos a compresión, tracción, módulo

de elasticidad y durabilidad. Se utilizó

cemento Argos Tipo III, grava de tamaño

3/4” y arena triturada de la planta de

agregados Cachibí S.A., además de un

plastificante “Plastocrete” de la empresa

SIKA. Esto con el fin de llegar a una

optimización de la dosificación base de alta

resistencia.

Posteriormente, se recurre el programa

ETABS® para modelar un edificio de 10

pisos, el primero modelo se realiza con el

uso de concreto convencional de 21 MPa

(3000 Psi) y el segundo modelo con el uso

de concreto de alta resistencia de 58 MPa

(8000 Psi). A partir del análisis se concluye

la viabilidad del uso de concreto de alta

resistencia para la construcción de un

edificio donde se determinaron índices de

costos en la reducción de elementos

estructurales, cantidad de acero y el aumento

en áreas libres dentro de la estructura.

Introducción. En este trabajo de grado se

desarrolla una dosificación de una mezcla de

concreto de alta resistencia que oscila entre

los 43 y 58 MPa a partir de la

caracterización de los materiales puestos a

disposición mediante ensayos de laboratorio,

tanto para los materiales (Cemento,

agregados, agua) como para los cilindros de

concreto, los cuales son analizados para

estudiar sus propiedades físico-mecánicas.

Finalmente se analizan las ventajas

económicas en el empleo de concretos de

alta resistencia para estructuras, mediante la

estimación de índices de costos para mezclas

con resistencias altas y convencionales.

Fundamentación Teórica. El diseño de

mezclas de concreto comprende varios

factores entre ellos los materiales a

disposición que influyen en gran medida en

el desarrollo de un elemento con una

resistencia de diseño deseada y requerida.

Concreto. El concreto es un material que se

conforma de la mezcla de cemento, grava,

arena, agua y eventualmente se recurre al

uso de aditivos, que al lograr el estado sólido

compacto forman una piedra artificial capaz

de soportar grandes esfuerzos de

compresión. (Sánchez de Guzmán, 2001)

Cemento. “Indica un material aglomerante

que tiene propiedades de adherencia y

cohesión, las cuales permiten unir

fragmentos minerales entre sí, para formar

un todo compacto con resistencia y

durabilidad adecuadas” (Sánchez de

Guzmán, 2001)

Agregados (Fino y Grueso). Material

granular, sea arena, grava, piedra triturada y

escoria de hierro de alto horno, que es

empleado con algún material cementante

para formar concreto hidráulico. (AIS, 2010)

Agua. Es un componente fundamental para

realizar una mezcla de concreto debido que

permite que ésta desarrolle su capacidad

ligante. Una parte del agua cumple la

función de hidratar el cemento y la demás

sirve para aumentar la fluidez de la pasta con

el fin de lubricar los agregados y obtener una

adecuada manejabilidad en la mezcla.

(Gutiérrez De López, 2003)

Aditivos. Permiten modificar las

características de los concretos: en estado

fresco, logrando incrementar la

trabajabilidad sin tener que aumentar la

cantidad de agua, retardar o acelerar el

fraguado, prevenir el asentamiento o reducir

la segregación y en estado endurecido, se

aumenta la resistencia a tempranas edades,

mejora la durabilidad frente a exposiciones

severas y disminuye la permeabilidad.

Durabilidad. Es la capacidad que tiene la

mezcla de concreto una vez endurecida de

resistir diferentes tipos de efectos, como la

acción del viento, nieve, hielo, reacciones

químicas del suelo, sal y abrasión (Love,

2006).

Manejabilidad. Es una característica del

concreto que representa la capacidad para ser

puesto, compactado y terminado sin segregación. La manejabilidad se encuentra

asociada con la plasticidad, es decir, la

propiedad del concreto para ser moldeado y

puesto en formaletas u otros elementos

(Gutiérrez De López, 2003).

Resistencia a la compresión (f’c). La

resistencia es la capacidad del concreto de

resistir cargas a compresión, flexión o al

cortante. El principal factor que determina la

resistencia es la proporción de agua-

cemento. (Love, 2006)

Resultados.

Caracterización de los Materiales. El

cemento empleado para la realización de los

ensayos fue proporcionado por la empresa de

cementos Argos en Cali, bajo la marca de

“Cemento Gris Estructural – Tipo III”

cumpliendo las especificaciones de la norma

internacional ASTM C-1157-10 como

cemento tipo HE. Los agregados fueron

extraídos de la planta de agregados y

mezclas Cachibí S.A., cumpliendo con los

criterios expuestos por la NTC 174.

Densidad del Cemento Hidráulico (ASTM C-

188). La empresa fabricante del cemento

ASTM C-1157-10 Tipo HE determina que

éste material posee una densidad 2.95 g/cm3.

Finura del Cemento Hidráulico (ASTM C-

204). La empresa fabricante del cemento

ASTM C-1157-10 Tipo HE determina que

éste material posee una finura de 99.5%.

Los agregados se utilizó la norma ASTM C-

702 “Práctica Estándar para Reducir las

Muestras de Agregados a Tamaño de

Prueba” en cada uno de los ensayos para

realizar una adecuada homogenización del

material. Por otra parte, la norma ASTM C-

136 determina la granulometría que

representa la distribución del tamaño de

partículas de los agregados finos y gruesos

por medio del tamizado. Ésta información

permite determinar el tamaño máximo,

nominal y módulo de finura de los

agregados.

Tamaño Máximo del Agregado Grueso

(ASTM C-136). El tamaño máximo es 3/4'’

(19 mm) ya que es el menor tamiz por el que

pasa toda la muestra.

Tamaño Máximo Nominal del Agregado

Grueso (ASTM C-136). El tamaño máximo

nominal es 1/2'’ (12.5 mm) ya que es el

menor tamaño de la malla por la que pasa la

mayor parte del agregado, o sea que es la

malla donde se retiene el agregado de mayor

tamaño.

Módulo de Finura del Agregado Fino

(ASTM C-136). La arena que se utilizará en

la elaboración de especímenes de concreto

tiene un módulo de finura de 2.87.

Masa Unitaria Compacta del Agregado

Grueso (ASTM C-29). La masa unitaria de la

grava secada al horno y varillado según los

ensayos previos es de 1598 kg/m3.

Densidad Aparente Seca del Agregado

Grueso (ASTM C-127). La grava que se

utilizará en la elaboración de los

especímenes de concreto posee una densidad

relativa de 2.56 g/cm3.

Absorción del Agregado Grueso (ASTM C-

127). La grava que se utilizará en la

elaboración de los especímenes de concreto

tiene una absorción dada en los ensayos del

1.81%.

Humedad Natural del Agregado Grueso

(ASTM C-566). La grava que se utilizará en

la elaboración de los especímenes de

concreto tiene una humedad dada en los

ensayos del 1.72%.

Contenido de Materia Orgánica del

Agregado Fino (ASTM C-40). La arena que

se utilizará en la elaboración de los

especímenes de concreto según la escala de

colorimétrico correspondió al Color #5

Masa Unitaria Compacta del Agregado Fino

(ASTM C-29). La masa unitaria de la arena

secada al horno y varillado según los

ensayos previos es de 1060 kg/m3.

Densidad Aparente Seca del Agregado Fino

(ASTM C-128). La arena que se utilizará en

la elaboración de los especímenes de

concreto posee una densidad relativa de 2.73

g/cm3.

Absorción del Agregado Fino (ASTM C-

128). La arena que se utilizará en la

elaboración de los especímenes de concreto

tiene una absorción dada en los ensayos del

3.03%.

Humedad Natural del Agregado del

Agregado Fino (ASTM C-566). La arena que

se utilizará en la elaboración de los

especímenes de concreto tiene una humedad

dada en los ensayos del 1.54%.

Diseño de Mezcla de Concreto por el

Método de Diseño de Peso Normal Según

ACI 211. El método de diseño de mezclas de

concreto según la norma ACI 211, consiste

en determinar las cantidades relativas de

cada material que se dosifican en la mezcla

para obtener un concreto con las

prestaciones adecuadas según el diseño.

Determinación de la Resistencia de Diseño.

La resistencia a compresión especificada f’c

a los 28 días, debe cumplir con que el

promedio de cualquier conjunto de por lo

menos tres ensayos para especímenes de

100x200mm consecutivos de concreto,

igualen o superen este valor. La resistencia

de diseño, que es mayor a f’c, se le

denominara f’cr, y se conoce como la

resistencia promedio requerida en obra de

una mezcla de concreto hidráulico. Como

regularmente no existe una historia de

resultados de ensayos con los materiales en

cuestión mencionados, es necesario hacer el

caso más común para obras nuevas, donde se

puede empezar fijando una resistencia de

diseño de mezcla f’cr acorde a la Tabla

5.3.2.2 del ACI 318.

Por lo tanto, la resistencia promedio

requerida para el diseño de mezcla de

concreto de alta resistencia que se utilizó en

la investigación es f’cr = 1.10 x (580

kg/cm2) + 50 kg/cm2, es decir 690 kg/cm2.

Selección de la Relación Agua-Cemento

(a/c). La relación agua-cemento requerida

para el diseño de mezcla se especifica no

sólo por los requisitos de resistencia, sino

también por otros factores como la

durabilidad y las especificaciones de

acabado, puesto que los diferentes agregados

y cementos producen distintas resistencias a

pesar de utilizar la misma relación (a/c). En

consecuencia sería un logro establecer una

relación entre la resistencia a la compresión

y la relación (a/c) para los diferentes

materiales que se emplean en la dosificación.

Sin embargo, debido al desconocimiento de

estos datos, se puede utilizar valores

aproximados y relativamente conservadores

a partir de la Tabla 6.3.4 (a) del ACI 211.

Sin embargo, como no están registradas en la

tabla anterior las resistencias promedio

requeridas para el diseño de las mezclas de

concreto 29.5 MPa (f’cr Convencional) y

69.0 MPa respectivamente, es necesario

realizar una interpolación de los datos

disponibles, para así estimar la relación (a/c)

más apropiada. A continuación, se presenta

en el siguiente cuadro resumen las diferentes

relaciones (a/c) estimadas para las dos

resistencias de diseño especificadas, a partir

de cuatro regresiones matemáticas de los

datos antes descritos en la Tabla 6.3.4 (a).

Finalmente, se seleccionará la relación (a/c)

calculada por la regresión potencial, debido

que la regresión lineal para el diseño de alta

resistencia 69.0 MPa, indica una relación

(a/c) que tiende a cero, entre tanto las

regresiones polinómica y exponencial

determinan relaciones (a/c) más razonables,

pero muy bajas, que hacen de la mezcla de

concreto de poca trabajabilidad y

consistencia a pesar del uso de aditivos. Por

otra parte, se observa que la resistencia de

diseño convencional 29.5 MPa las

relaciones (a/c) se semejan en gran medida

en todas las regresiones, siendo esta no muy

influyente para la selección de la regresión

más apropiada para el caso de diseño.

Estimación de las Proporciones de

Agregados Método A.C.I. 211.1. Se presenta

el peso seco y volumen absoluto de los

ingredientes por metro cubico de concreto

estimado para el diseño de mezcla f’c 69.0

MPa (Método ACI 211).

Diseño de Mezcla de Concreto por el

Método Grafico. El método grafico tiene

como objeto definir las proporciones de

agregados ideal, contemplando aquellos

agregados cuyas granulometrías no cumplen

en su totalidad con los limites especificados

por la norma NTC 174, pero que son

susceptibles de optimizarse, de tal forma que

la gradación de los materiales combinados

produzca la máxima densidad, siendo el

contenido de vacíos lo más mínimo,

adaptándose en lo más posible a las curvas

de gradación ideales. Para ello, se utilizará

las mismas cantidades de cemento, aire y

agua por metro cubico de concreto estimadas

por el método ACI 211.

Estimación de las Proporciones de

Agregados Método Grafico. La combinación

de los agregados, se presenta a marcando

sobre las líneas trazadas que unen los

tamices dado su respectivo porcentaje que

pasa, los límites de gradación recomendados

para granulometrías continúas, para un

tamaño máximo de agregado grueso de 19

mm (3/4’’). Sin embargo, se descartan los

límites de los tamices 1/2’’ y No. 100

respectivamente, debido que los límites de

gradación no alcanzan a interceptarse con la

línea originada de la unión de los tamices. Se

observa que la mezcla optima de los dos

materiales es la línea vertical de color

magenta, la cual indica una combinación

aproximada de 55.5% de agregado fino

contra un 44.5% de agregado grueso.

Por último, se presenta el peso seco y

volumen absoluto de los ingredientes por

metro cubico de concreto estimado para el

diseño de mezcla f’c 69.0 MPa (Método

Gráfico).

Diseño de Mezcla de Concreto por el

Método Füller - Thompson. La cantidad de

cemento a emplear en el diseño de la mezcla

será la real que se vaya a utilizar en la

fabricación del concreto y la cantidad de

agua dependerá de la tipología del agregado

utilizado, su tamaño máximo y de la

consistencia que deba cumplir el concreto.

Para ello, se utilizará las mismas cantidades

de cemento, aire y agua por metro cubico de

concreto estimadas por el método ACI 211.

Estimación de las Proporciones de

Agregados Método Füller - Thompson. Para

determinar los porcentajes en los cuales hay

que combinar los agregados, se emplea el

sistema de los módulos de finura, que se

obtiene dividiendo entre 100 la suma de los

porcentajes retenidos acumulados en cada

uno de los tamices y para cada fracción del

agregado. Así, los porcentajes de los

agregados que se deben tomar para ajustar el

diseño de mezcla a la curva del método de

Füller son de 63.5% de agregado fino contra

un 39.5% de agregado grueso.

Por último, se presenta el peso seco y

volumen absoluto de los ingredientes por

metro cubico de concreto estimado para el

diseño de mezcla f’c 69.0 MPa (Método

Füller - Thompson).

Ajuste según Mezclas de Prueba y Selección

del Método de Diseño. Se realizó el diseño

de 12 probetas cilíndricas para cada diseño

de mezcla, teniendo en cuenta solo los

diseños de alta resistencia. A partir de los

resultados a los 7, 14 y 28 días de los

testigos de concreto, se determinó cuál de los

tres métodos presentaba mejores resultados.

Así, la dosificación por el método grafico

brindaba las mejores prestaciones.

Finalmente, en la siguiente tabla se expone

las relaciones (a/c) que se estudiarán y la

cantidad de pruebas sujetas a ellas para la

realización del trabajo de investigación.

Método de Ensayo Normalizado para

Resistencia a la Compresión de Especímenes

Cilíndricos de Concreto (ASTM C-39). La

resistencia a la compresión se puede definir

como la máxima resistencia de un espécimen

de concreto sometido a carga axial.

Generalmente se expresa en las siguientes

unidades de presión (kg/cm2 - MPa - PSI) a

una edad de 28 días y se le designa con el

símbolo f’c. Los resultados de las pruebas de

resistencia a la compresión se presentan en

resumen en la siguiente tabla.

Método de Ensayo Normalizado para

Resistencia a la Tracción Indirecta de

Especímenes Cilíndricos de Concreto

(ASTM C-496). El concreto estructural puede

soportar grandes esfuerzos sometidos a

compresión. Sin embargo, su resistencia para

soportar esfuerzos de tracción, es mucho

menor. Por ello, la resistencia a la tracción

del concreto es una forma de

comportamiento de gran interés para el

diseño y control de calidad en todo tipo de

obras y en especial las estructuras

hidráulicas y de pavimentación. Los

resultados de las pruebas de tracción

indirecta se presentan en resumen en la

siguiente tabla.

Módulo de Elasticidad Estático y Relación

de Poisson del Concreto en Compresión

(ASTM C-469). El módulo de elasticidad

estático, también conocido como módulo de

Young, se define como relación entre el

esfuerzo y la deformación unitaria del

concreto, a cualquier edad y bajo las

condiciones de elaboración de especímenes

de concreto establecidas anteriormente. Los

resultados de las pruebas de módulo de

elasticidad se presentan en resumen en la

siguiente tabla.

Absorción por Succión Capilar del Concreto

(IRAM 1871). La durabilidad se define como

la capacidad de soportar las solicitaciones

provocadas por agentes físicos y químicos

del ambiente y puede resultar definida por

diversos factores relacionados con la

agresividad ambiental. Según la norma

IRAM 1871:2004, el método de succión

capilar es un ensayo gravimétrico que

permite registrar el incremento de masa de

una muestra elaborada para una probeta

cilíndrica de concreto endurecido de 5 cm de

espesor y dimensión 10 x 20 cm, sometido a

la acción del contacto con agua en una de

sus bases. Los resultados de las pruebas de

durabilidad se presentan en resumen en la

siguiente tabla.

Modelación y Análisis de la Edificación. En

ésta investigación se realizó el análisis y

diseño estructural de un edificio

multifamiliar de vivienda de ocho pisos y

dos sótanos, ubicado en la ciudad de Cali

(Valle del Cauca), donde se define la

geometría del modelo, las resistencias de

diseño y las solicitaciones de carga según la

tipología de cada nivel. Como parámetro de

en ambos diseños se verifico que los límites

de derivas estuvieran en el 1.0% por piso,

debido que son los valores permitidos por la

NSR-10 para estructuras de concreto y

acero.

Teniendo como base el edificio del primer

diseño se cambió la definición del material

de 21 MPa por 58 MPa en las vigas

principales, vigas secundarias, columnas y

pantallas, con el fin de observar la reducción

de las secciones estructurales. Finalmente,

para observar de mejor manera los índices de

costos en conjunto con el aumento de las

áreas libres, en la siguiente tabla se resumirá

la cantidad de materiales necesarios en cada

edificio para cumplir con su respectiva

función, determinando costos totales

aproximados.

Por otra parte, se evidencio que el concreto

de alta resistencia brinda una gran

optimización de las áreas de los elementos

estructurales verticales, como lo son

columnas y pantallas, otorgando una

disminución casi del 50% del área de

sección en columnas y reduciendo

significativamente los espesores en las

pantallas, brindando un área libre de 11.695

m2 por piso adicional.

Observando la variación del refuerzo, se

determina que el edificio del segundo diseño

(58 MPa) permite una reducción del 15% del

acero total con respecto al del primer diseño

(21 MPa). Así mismo, el valor de la obra

negra del segundo edificio (58 MPa) es más

alto en un 12% aproximadamente, siendo

esto una alternativa interesante de diseño, si

no se quieren elementos tan esbeltos en el

sistema constructivo en general por

cuestiones arquitectónicas. Además, se

presenta una diferencia en ganancias a favor

del segundo diseño (58 MPa) debido al

aumento del valor de los apartamentos a

causa del incremento del área.

Discusión y Conclusiones.

El uso del concreto de alto desempeño

permite obtener varios beneficios generales

en edificaciones de gran altura, donde el

efecto de la deriva se hace difícil de

controlar debido que es necesario

condicionar elementos verticales como

columnas y pantallas muy esbeltos. En la

investigación se observa que el uso de

concreto de alto desempeño permite

controlar las derivas de tal manera que no se

requieran elementos estructurales tan

grandes, aumentando en gran medida las

áreas libres. El concreto de alto desempeño

permite gracias a la elevada resistencia a la

compresión, reducir las secciones de los

elementos estructurales y disminuir los

tiempos de ejecución de la obra, debido a la

obtención de mayores resistencias a

tempranas edades. Además, permite que

haya menor deformación de los elementos

estructurales horizontales, como las vigas,

viguetas y losas de entrepiso, logrando al

mismo tiempo una disminución del peso

global de la estructura.

En cuanto a las propiedades mecánicas, el

aumento proporcional del módulo de

elasticidad debido a la resistencia a la

compresión, permite reducir en gran medida

la deformabilidad de la estructura y a la vez

una disminución de las deflexiones y

esfuerzos axiales. Además, el incremento de

la durabilidad gracias al mayor contenido de

cemento en la mezcla, hace del concreto de

baja permeabilidad, lo que traduce concretos

más densos, menos porosos, y con mayor

resistencia frente a la abrasión, los ataques

de agentes externos y la corrosión del acero.

El concreto de alto desempeño, en general

no evidencia cambios notorios en las

cuantías de acero sometidos a flexión de los

elementos horizontales. Sin embargo,

permite obtener menores cuantías de acero

en los elementos verticales, al reducir las

áreas netas de las columnas y pantallas. Por

otro lado, se observa una excedida capacidad

de resistencia por cortante, pero según las

disposiciones de la NSR-10, los elementos

estructurales deben acogerse a las

separaciones mínimas de confinamiento

exigidas por la norma.

Referencias.

AIS. (2010). Título C - Concreto estructural.

Reglamento Colombiano de construcción

sismo resistente, Ministerio de Ambiente,

Vivienda y Desarrollo Territorial, Bogotá,

Colombia.

Gutiérrez De López, L. (2003). El concreto y

otros materiales para la construcción.

Manizales, Colombia: Universidad Nacional

de Colombia.

Love, T. (2006). El concreto en la

construcción. México: Trillas.

Sánchez De Guzmán, D. (2001). Tecnologia

del concreto y del mortero. Santafé de

Bogotá, D.C.: Bhandar Editores.