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Ingeniería en Construcción Tecnológico de Costa Rica

Dosificación de concretos Ing. Mauricio Araya Rodríguez. 1 1 Ingeniero Civil (U.C.R.), Consultor y Constructor, Profesor Escuela de Ingeniería en Construcción, Instituto Tecnológico de Costa Rica, [email protected]

Resumen En Costa Rica las mezclas de concreto más utilizadas en construcción liviana son las que se elaboran en el sitio de construcción. La resistencia final dependerá principalmente de factores que intervienen en las fases de producción y colocación, tales como mano de obra, equipo disponible, calidad de los materiales y supervisión profesional.

Abstract In Costa Rica, the majority of concrete mixtures used in lightweight construction are the ones prepared in-situ. The final strength depends mainly on factors involved in the production and placement phases including labor, available equipment, materials quality and professional supervision.

Palabras clave mezclas, construcción, dosificación, proporción, concreto, desarrollo, calidad, proyección, resistencia, control.

Key words mixtures, construction, dosage, proportion, concrete, quality, projection, resistance, control

Ingeniería en Construcción Tecnológico de Costa Rica Diversos estudios a nivel nacional han demostrado que en la construcción liviana, se presentan deficiencias que afectan la resistencia final del concreto y que reducen la probabilidad de obtener mezclas que cumplan con las exigencias de la normativa nacional e internacional. Hace algún tiempo se generaron tres investigaciones formales, las cuales fueron respaldadas por instituciones involucradas con la actividad de la construcción y que están relacionados con la medición de la resistencia del concreto en el sitio, aunque enfocados en distintas regiones del país. Aparte de estos, también existen documentos y publicaciones relacionados con este tema, que se refieren al concreto aunque de una manera aislada y sin la claridad suficiente para que sea un documento comprensible para los operarios de la construcción. El primer estudio que se realizó en nuestro país fue realizado por el autor en 1998, como tesis de licenciatura en la Universidad de Costa Rica. Ese trabajo fue titulado “Control de calidad del concreto estructural y del mortero de pega en viviendas” y comprendió un muestreo en obra de concreto estructural y mortero de pega, correspondiente a 30 proyectos de vivienda de uno y dos pisos tomados al azar dentro del Área Metropolitana de San José y de los que se obtuvo 3 cilindros estándar de concreto de cada uno. Los resultados fueron bastante alarmantes, ya que solamente el 17% de las construcciones analizadas lograron obtener resultados satisfactorios, desde el punto de vista de la resistencia a la compresión especificada en el Código Sísmico de Costa Rica vigente en ese año. Además se logró determinar que ninguna de las mezclas preparadas a mano, o sea sin batidora, cumplieron con la resistencia a la compresión requerida de 210 kg/cm² a los 28 días, conocida comúnmente como f´c. El segundo estudio fue realizado en conjunto por el Instituto Costarricense del Cemento y del Concreto (ICCYC) y el Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica (CFIA) en el 2005 y utilizó como referencia o modelo

al primer estudio. De igual forma se analizó 30 construcciones en el Área Metropolitana tomadas al azar. En este caso el resultado fue también bastante preocupante, ya que solamente el 45% de los proyectos cumplieron con las especificaciones de resistencia a la compresión a 28 días, estipulada en el actual Código Sísmico de Costa Rica (2010), o sea 210 kg/cm². En noviembre del 2006 se realizó la tercera investigación al respecto, también a cargo del ICCYC y el CFIA. Sin embargo, el método de análisis fue muy diferente, por ejemplo la investigación se centró en Guanacaste y se utilizó tres maneras distintas para obtener resultados, o sea el muestreo de concreto fresco, la extracción de núcleos de concreto endurecido y mediciones con esclerómetro. No obstante, el resultado siguió siendo preocupante, ya que solamente el 71% de las construcciones cumplió con las especificaciones, a pesar de contarse en ese momento con la información de los dos primeros estudios, los cuales ya habían dado la alerta. Tomando en cuenta la gran confusión y desinformación que afecta a muchas de las personas que de alguna u otra forma están involucradas con la elaboración de las mezclas de concreto en obra, es que el autor considera muy importante, el hecho de aportar alguna información al respecto y a la vez sugerir dosificaciones que puedan ser utilizadas por obreros calificados para su propia formación y capacitación, ya que a estos trabajadores se les hace sumamente difícil asistir a cursos de preparación debido al horario de trabajo tan estricto que se mantiene en obra. Para darse una primera idea, sería bueno presentar una información que considero muy acertada y que fue publicada en 1992 por la Asociación ACI Capítulo Costa Rica del CFIA. En ese documento se recomendaban las siguientes proporciones para fabricar la mezcla, no sin antes hacer algunas advertencias tales como que el contenido debería tomarse como una referencia y no como una regla definitiva, ya que el fin primordial era lograr

Cantidad aproximada de materiales Resistencia probable a Proporción por volumen tomado al (volumen suelto) para 1 m³ de con- la compresión a la edad cemento como unidad. creto. de 28 días.

Cemento

Arena

Piedra

Sacos

m3

1

2,5

5,0

5,13

0,472

1 1 1 1

3,0 2,0 1,5 1,0

6,0 4,0 3,0 2,0

4,40 6,15 7,70

10,25

25

m3

lb/pulg2

kg/cm2

2000

140

0,486

0,972

1500

0,456

0,912

2800

0,427 0,378

0,944 0,854 0,756

Tabla 1. Proporciones usuales para obtener un metro cúbico de concreto.

3500 4200

105 195 245 295

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orientar al interesado con la adecuada dosis de seguridad en los trabajos normales que se realizan en la obra. De igual forma se aclaraba que no se pretendía dar solución a todas las situaciones, ya que dependiendo de la importancia, costo y complejidad del proyecto, se requerirán los estudios y diseños de las mezclas pertinentes que el profesional responsable indicara. En la tabla anterior hay que tener en cuenta ciertos aspectos: •

La proporción correspondiente al cemento se refiere a sacos completos de 50 kg, mientras que la de los agregados indica cajones cúbicos de 34 cm de lado.

•

Las cantidades por volumen de los agregados son aproximadas y podrían variar, dependiendo del peso unitario de los materiales.

•

Las resistencias a la compresión indicadas se consideran más bien conservadoras y pueden garantizarse su obtención, siempre y cuando se tenga un estricto control del procedimiento constructivo y de la dosificación del agua.

•

Como la recomendación propone un volumen de piedra dos veces mayor que el de la arena, esta situación podría generar mezclas poco trabajables. Por lo tanto, se aconseja hacer los ajustes necesarios de las cantidades relativas de estos dos materiales con el fin de obtener un producto de fácil manipulación y acabado.

Ahora bien, entre el 2006 y el 2011 el autor logró recopilar en el laboratorio de materiales del Centro de Investigaciones en Vivienda y Construcción (CIVCO) adscrito a la Escuela de Ingeniería en Construcción del Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR), una gran cantidad de resultados relacionados con la resistencia a la compresión de mezclas de concreto. La gran mayoría de esta información se obtuvo a

través de ensayos solicitados por clientes del laboratorio o por medio de algunos proyectos de graduación realizados por estudiantes de licenciatura. Es con base en todos estos datos actualizados y después de un extenso análisis, que el autor sugiere una nueva tabla de dosificaciones con la que de igual forma, se deben tener en cuenta ciertos cuidados. Primero que todo, dadas las variaciones en materiales, mano de obra, temperatura y trabajabilidad que se pueden presentar en las construcciones, los métodos teóricos para determinar las proporciones ideales de la mezcla, no garantizan en todos los casos, el poder obtener resultados satisfactorios. En este caso, la información que se incluye en la siguiente tabla, toma como un hecho que los agregados utilizados son de buena calidad, el agua utilizada es potable, la relación agua/cemento (A/C) es la adecuada para no generar mezclas muy fluidas y que el concreto será confeccionado con batidora. Además las resistencias que se sugieren se basan en resultados de laboratorio actualizados, usando como referencia los cementos de uso general que al día de hoy, se fabrican en nuestro país y los cuales presentan muy buenas condiciones de desempeño y control de calidad en la fábrica. No sobra decir, que este tipo de análisis se debería realizar cada cierto tiempo, ya que no siempre la producción de los cementos en el país mantiene constantes sus características químicas y físicas. No obstante, para la Tabla 2 hay que tomar en cuenta los siguientes aspectos: •

El dato correspondiente al cemento representa sacos completos de 50 kg.

Resistencia probable a Proporción por volumen utilizando Proporción por volumen utilizando la compresión a la edad cajones de madera. cubetas de 5 galones. de 28 días.

Cemento

Arena

Piedra

Cemento

Arena

Piedra

kg/cm2

1

2,5

3,5

1

3,5

5,0

210

1 1 1 1 1

2,5 2,0 2,0 2,0 1,5

4,0 3,0 2,5 2,0 2,0

1 1 1 1 1

3,5 3,0 3,0 3,0 2,0

5,5 4,5 3,5 3,0 3,0

Tabla 2. Proporciones actualizadas y sugeridas por el autor.

lb/pulg2

175

2500

245

3500

280 315 350

3000 4000 4500 5000

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Normalmente la relación A/C debería tener un valor aproximado entre 0,50 y 0,60 y supone que los agregados se encuentran en condición saturada superficie seca.

•

En el caso de la dosificación por cajones, los mismos deberán ser de 30x30x30cm, cuya elaboración se facilita mucho, ya que es la medida comercial de las tablas que se utilizan para el encofrado o formaleta y a partir de esa longitud es que se realizaron las memorias de cálculo en el análisis.

•

Por su parte, al utilizar las cubetas se debe tener en cuenta que son las de 5 galones y las que normalmente se utilizan para contener la pintura y otro tipo de acabados en la construcción.

•

La conversión de cajones a cubetas se hace de manera redondeada, con el fin de que los valores finales sean de fácil entendimiento en obra.

•

Un cajón equivale aproximadamente a 1,43 cubetas por volumen y a 1,34 cubetas por peso. Este dato va a depender de las características geométricas y granulométricas de las partículas de los agregados.

•

Un saco de cemento llena aproximadamente 1,5 cajones o 2 cubetas. Este dato podría variar en función del tipo de cemento y de la marca comercial, aunque en la mayoría de los casos anda bastante cerca.

Siguiendo con el proceso constructivo, es necesario insistir en que la historia de la mezcla no implica solamente su fabricación y colocación. También hay que tomar en cuenta una etapa sumamente importante conocida como el “curado”. Este proceso se refiere al conjunto de acciones necesarias para garantizar el agua de hidratación óptima en la mezcla de concreto, lo cual se logra evitando la evaporación o pérdida de agua en la misma, o adicionando agua con el fin de reponer cualquiera de estos efectos. Una vez que el concreto ha sido colocado en las formaletas y este adquiere un apreciable endurecimiento, lo suficiente para que el agua que fluya no erosione su superficie, el proceso de curado debe iniciarse. La presencia de humedad y las temperaturas favorables son necesarias para la continuación de la combinación química entre el agua y el cemento. Cuando el curado es iniciado a temprana edad, se aumenta considerablemente la probabilidad de que el concreto adquiera la resistencia e impermeabilidad requeridas. Este proceso es sumamente importante, sobre todo cuando la mezcla de concreto está expuesta a condiciones climáticas severas, tales como altas temperatu-

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ras, ambientes secos, superficies expuestas directamente al sol y lugares ventosos. Esta última etapa debe realizarse con mucho cuidado, ya que debido a un mal curado se puede perder hasta el 30% o más de la resistencia esperada. Es por ello que se sugiere curar como mínimo durante 7 días y en trabajos más delicados hasta 14 días. No obstante, en general lo ideal sería realizarlo durante 28 días, tal como se hace en los ensayos de laboratorio. Sin embargo, en la práctica y desde el punto de vista constructivo, esta situación suele ser casi imposible debido a los atrasos que generaría. En cuanto al valor de resistencia que se le especifica al concreto, cuando se utiliza cemento de “uso general”, este ha ido variando conforme cambian los componentes que son utilizados en su fabricación. Hace algunos años, entre el 2006 y el 2011, aproximadamente el 70% de la resistencia esperada a 28 días, se desarrollaba en los primeros 7 días posteriores a la colocación del mismo. Al cumplirse el día 14, ese valor andaba alrededor del 85%. No obstante, al día de hoy esos porcentajes han variado considerablemente, principalmente por la incorporación de puzolanas en la producción del cemento, lo que genera un desarrollo más lento de la resistencia del concreto, principalmente en las primeras 3 semanas. Sin embargo, este factor ayuda a generar concretos más resistentes, densos y durables a mediano y largo plazo. Entre el 2012 y el 2013, los resultados en laboratorio nos han dejado evidencia que en los primeros 7 días se genera actualmente el 50% de la resistencia que se obtiene a 28 días, mientras que es hasta el día 14 que se logra llegar al 70%. Estos porcentajes son aproximados y podrían variar dependiendo principalmente del tipo de cemento utilizado, de la relación agua/cemento y del curado aplicado. No obstante, podemos utilizar los porcentajes de la Tabla 3 para darnos una idea aproximada del desarrollo de resistencia del concreto según la edad del mismo y de esa manera poder generar una proyección aproximada de la resistencia de especificación, la cual por lo general se indica a 28 días. Es claro que en la mayoría de las ocasiones no podemos esperar todo ese tiempo para recibir la comprobación del laboratorio, por lo que el tener una orientación a la hora de estimar una proyección nos podría ayudar a tomar decisiones urgentes con respecto al desempeño de la mezcla. Sin embargo, es recomendable aplicar el sentido común y el criterio profesional a la hora de sacar conclusiones, ya que las fluctuaciones que a veces se presentan en las características propias del cemento debido a su fabricación, podría variar estos valores y hacernos caer en un error. Siempre es aconsejable investigar las características del cemento que se está utilizando y en caso de duda, realizar las pruebas de laboratorio correspondientes.

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Edad

Resistencia

Resistencia

(2006-2011)

(2012-2013)

1 día

20%

7 días

70%

3 días

14 días

15%

55%

30%

85%

70%

50%

28 días

100%

100%

1 año

125%

-----

56 días

-----

125%

Tabla 3. Desarrollo porcentual de la resistencia del concreto en el tiempo con respecto al día 28.

Para mayor claridad a continuación se presenta la Figura 1 en la que se ilustra la información suministrada en la Tabla 3 y donde se observa el desarrollo de la resistencia en términos porcentuales, utilizando como punto de referencia el dato en el día 28. La línea delgada refleja la situación entre el año 2006 y el 2011 y la línea gruesa indica lo que está sucediendo en los últimos 2 años. Además se puede notar como las curvas han variado considerablemente su comportamiento y lo más relevante es que la ganancia de resistencia que antes se daba al final de un año, o sea 11 meses después del día 28, ahora se obtiene en sólo un mes posterior a ese mismo día. Incluso en el laboratorio hubo una gran cantidad de muestras en donde la resistencia del concreto en el día 56 se incrementaba entre un 30% y un 40% con respecto al día 28.

Este cambio en el desarrollo de la resistencia ha generado mucha confusión en los profesionales y trabajadores de la construcción, ya que algunos han utilizado los datos antiguos para proyectar resistencia de concretos fabricados en la actualidad. Esta situación ha hecho que a veces se crea que el concreto no va a cumplir con la resistencia especificada, debido a que equivocadamente esperan un desarrollo del 70% a los 7 días, cuando hoy en día están llegando a valores cercanos al 50%. Por ejemplo si se requiere un concreto de 300 kg/cm2 a 28 días y en una semana se tiene un resultado de 150 kg/cm2, podríamos pensar que si utilizamos la proyección antigua del 70%, obtendríamos a las 4 semanas un valor de aproximadamente 215 kg/cm2. Este hecho nos podría poner a dudar de la calidad de la mezcla, sin embargo si proyectamos con la tendencia actual del 50%, entonces sí podríamos esperar una magnitud de resistencia cercana a los 300 kg/cm2. Nótese que incluso después del día 28, el concreto sigue adquiriendo resistencia y esta normalmente no es tomada en cuenta para efectos de poder rescatar un proyecto, en el que quizás la resistencia no logró cumplir con la especificación a las 4 semanas. Por otra parte, en la Figura 2 se utilizó información bibliográfica, con el objetivo de poder extender los valores de resistencia más allá de los 365 días, ya que por lógica y sentido común, en el laboratorio no contamos con ese tipo de información, o sea de 10 y 20 años atrás.

Figura 1.

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Figura 2.

Referencias bibliográficas. 1. Araya R., M. Control de calidad del concreto estructural y del mortero de pega en viviendas. Tesis Lic. Ing. Civil, Universidad de Costa Rica, 1998. 2. Neville, A.M. Tecnología del concreto. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, Editorial Limusa, México, 1988. 3. Muñoz, U., F.M. Componentes principales de las mezclas de concreto. Editorial de la Universidad de Costa Rica, 1998. 4. American Concrete Institute e Instituto Costarricense del Cemento y del Concreto. Requisitos de reglamento para concreto estructural y comentario (ACI 318S-05). Primera impresión, Costa Rica, 2005. 5. Instituto Costarricense del Cemento y del Concreto. Manual de consejos prácticos sobre el concreto. San José, Costa Rica, 2006.

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