Diseño de mezcla de hormigón


Hormigón de Cemento Portland

Cualidades de una buena mezcla







INCI 4035 – Materiales de Ingeniería Civil

Manejabilidad adecuada en el estado fresco. Durabilidad, resistencia y apariencia uniforme en el estado endurecido. Economía.

Métodos para diseñar una mezcla



Varian desde el método de volumen arbitrario, hasta El método del peso y volumen absolutos del PCA.

2

Pasos en el diseño de mezcla en el método del peso y volumen absolutos 1. 2. 3.

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.




Evaluar los requerimientos de resistencia Determinar la relación agua/cemento requerido. Evaluar los requerimientos de agregados gruesos. a. Tamaño máximo de agregado grueso. b. Cantidad de agregado grueso. Determinar los requerimientos de aire incorporado Evaluar los requerimientos de manejabilidad del hormigón fresco. Estimar el contenido de agua de la mezcla. Determinar el tipo y cantidad de cemento. Evaluar la necesidad del uso de aditivos. Evaluar los requerimientos de agregado fino. Determinar los ajustes por humedad. Hacer y ensayar mezclas de prueba.

Paso 1. Requerimientos de resistencia Debe conocerse: La resistencia a la compresión especificada, f’c. La variabilidad o desviación standard, s, del hormigón, y
El riesgo permisible de hacer un hormigón de resistencia menor al especificado. Estadisticamente, la resistencia requerida promedio para un 10% de riesgo esta dada por: ' ' cr c






f = f + 1.34s

f cr' = f c' + 2.33s − 500




f’cr = resistencia requerida f’c = resistencia especificada s = desviacion standard

3

4

Requerimientos de resistencia (cont)


La desviación standard debe determinarse de por lo menos 30 ensayos. Si se poseen entre 15 y 30 ensayos, “s” debe multiplicarse por: Number of tests 15 20 25 >30




Requerimientos de resistencia (cont)

Modification factor, F 1.16 1.08 1.03 1.00

Puede interpolarse linealmente para valores intermedios




Si menos de 15 ensayos están disponibles, la siguiente tabla debe usarse f’c (psi) 5000

5

f’cr (psi) f’c + 1000 f’c + 1200 f’c + 1400

6

1

Paso 2. Relación agua/cemento


Relación agua/cemento (cont)

Debe tenerse un historial de pruebas para obtener una curva de resistencia versus relación agua/cemento.

La relación agua/cemento para esta curva inicial se puede estimar de la siguiente tabla.




f’cr (psi)

w/c ratio by weight Non-air-entrained concrete




Si no se posee la curva w/c, se deben hacer tres mezclas de prueba a diferentes w/c para tener una curva aproximada. 7

6000

0.41

-

5000

0.48

0.40

4000

0.57

0.48

3000

0.68

0.59

2000

0.82

0.74

8

Relación agua/cemento (cont)


Relación agua/cemento (cont)

Para proyectos pequeños se puede utilizar la siguiente tabla

f’cr (psi)




w/c ratio by weight Non-air-entrained concrete

Air-entrained concrete

La relación agua/cemento determinada por resistencia no puede ser mayor que la determinada por condiciones de exposición, los cuales están dadas en la siguiente tabla.Ver tambien tabla 7.4 para exposicion con soluciones sulfatadas.

Exposure condition

Maximum w/c

Concrete protected from exposure to freezing and thawing or application of deicer chemicals

Select w/c on basis of strength, workability, and finishing needs

Air-entrained concrete

2500

0.67

0.54

a)

3000

0.58

0.46

b)

Concrete intended to be watertight, exposed to: Fresh water Brackish water or seawater

0.50 0.45

a)

Concrete exposed to freezing and thawing in a moist condition (airentrained concrete) Curbs, gutters, guardrails b) Other elements c) In presence of deicing chemicals

0.45 0.50 0.45

For corrosion protection for reinforced concrete exposed to deicing salts, brackish water, seawater, or spray from these sources

0.40

3500

0.51

0.40

4000

0.44

0.35

4500

0.38

-

5000

-

9

Paso 3: Requerimientos de agregados gruesos



Requerimientos de agregados gruesos (cont)


Es conveniente usar agregados grandes y de granulometría densa para una mezcla económica. El tamaño máximo del agregado está limitado por las dimensiones de la estructura y la capacidad del equipo constructivo.

Situación Dimensiones formaleta

Tamaño máximo agregado 1/5 de la mínima distancia libre

Espacio libre entre barras de refuerzo

¾ del mínimo espacio libre

Espacio libre entre barras de refuerzo y formaleta

¾ del mínimo espacio libre

Losa sin refuerzo

1/3 del espesor

10

11

Con el modulo de finua del agregado fino y el maximo tamano del agregado grueso, se puede determinar el volumen del agregado grueso. La tabla esta hecha para producir un grado de manejabilidad aceptable. Tamano maximo de agregado

2.40

2.60

Modulo de finura 2.80

3.00

3/8”

0.50

0.48

0.46

0.44

½”

0.59

0.57

0.55

0.53

¾”

0.66

0.64

0.62

0.60

1”

0.71

0.69

0.67

0.65

1-1/2”

0.75

0.73

0.71

0.69

2”

0.78

0.76

0.74

0.72

3”

0.82

0.80

0.78

0.76

6”

0.87

0.85

0.83

0.81

12

2

Requerimientos de agregados gruesos (cont)

Paso 4. Cantidad de aire











Los valores de la tabla anterior pueden aumentarse en 10% si se necesita menos manejabilidad (ej. pavimentos). Tambien pueden disminuirse en 10% para aumentar la manejabilidad (ej. colocacion con bomba).




Aire atrapado se introduce al efectuar la mezcla. Aire incorporado se introduce deliberadamente cuando el hormigón esta expuesto a ciclos de hielo y deshielo. La cantidad de aire es la suma del aire atrapado y aire incorporado. Tamano maximo de agregado

Trapped air (non-entrained concrete)

3/8”

½’”

¾”

1”

1-1/2”

2”

3”

6”

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0.3

0.2

Air-entrained concrete

13

Paso 5. Requerimientos de manejabilidad

- Mild exp

4.5

4.0

2.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

- Moderate exp

6.0

5.5

5.0

4.5

4.5

4.0

3.5

3.0

- Severe exp

7.5

7.0

6.0

6.0

5.5

5.0

4.5

14

Paso 6. Cantidad de agua  Depende del asentamiento deseado, del tamano maximo de agregado, de la forma del agregado y de la presencia de aire incorporado. En la tabla abajo los valores estan en lb/yd3.

El ensayo de asentamiento es el procedimiento mas simple para medir la manejabilidad. Es una medida aproximada. Los valores recomendados son:

Maximum aggregate size (in.) Slump 3/8 (in)

½

¾

1 to 2

350

355

315

300

275

3 to 4

385

365

340

321

300

6 to 7

410

385

360

340

315

305

295

280

Slump (in.) Concrete construction

Maximum

Minimum

Reinforced foundation walls and footings

3

1

Plain footings, caissons, and substructure walls

3

1

Beams and reinforced walls

4

1

1

1-1/2

2

3

6

260

220

190

285

245

210

300

270

Non-air-entrained concrete

Air-entrained concrete

Building columns

4

1

1 to 2

270

250

205

180

Pavements and slabs

3

1

3 to 4

340

325

305

295

275

265

225

Mass concrete

2

1

6 to 7

365

345

325

310

290

280

260

15

Paso 6: Cantidad de agua (cont.)





Sub-angular Gravel with crushed particles Round gravel

Reduction in water content (lb/yd3) 20 35 45

200 16

Paso 7: Cantidad de cemento

Los valores de la tabla anterior son válidos para agregados angulares bien formados de acuerdo a especificaciones. Pueden reducirse para otros tipos de agregados.

Aggregate shape

4.0

17





Con la relación w/c y la cantidad de agua conocidas se determina la cantidad de cemento. Las siguientes cantidades mínimas aplican:






Hormigón expuesto a ciclos severos de hielo y deshielo, exposición a sulfatos y de-icers: 564 lb/yd3. Hormigón colocado bajo agua: 650 lb/yd3.

En “flatwork” tales como losa deben respetarse los siguientes mínimos: Maximum aggregate size (in.)

Cemento (lb/yd3)

1-1/2

470

1

520

¾

540

½

590

3/8

610

18

3

Paso 8: Requerimiento de aditivos




Paso 9: Cantidad de agregados finos

Si se van a usar aditivos, sus cantidades deben ser consideradas en el diseno de mezcla. La información sobre cantidades necesarias estan dadas por los fabricantes. Si el aditivo es líquido, esto debe considerarse como agua adicional y por lo tanto debe ajustarse.





En este punto las cantidades de agua, cemento, agregados gruesos y aire ya han sido determinadas. En el método del peso, el peso de agregados finos (por yd3) se determina de la siguiente manera:



Se estima el peso total típico de la mezcla, por yd3. (ver tabla). El peso del agregado fino se obtiene restando de ese peso total los pesos de agua, cemento y agregados gruesos (el aire no tiene peso)

W fa = Wmix − (Wwater + Wcement + Wca ) 19

Paso 9: Cantidad de agregados finos (cont.)

Non-air-entraned concrete

Paso 9: Cantidad de agregados finos (cont.)


Estimate of weight of freshly mixed concrete (lb/yd3) Maximum aggregate size (in.)

20

Air-entrained concrete

3/8

3840

3690

½

3890

3760

¾

3960

3840

1

4010

3900

1-1/2

4070

3960

2

4120

4000

3

4160

4040

6

4230

4120

En el método del volumen absoluto la cantidad de agregado fino se obtiene restando de 1 yd3 los volúmenes de agua, cemento, agregado grueso y aire.

V fa = 1 yd 3 − (Vwater + Vcement + Vca + Vair )  Usualmente los volúmenes se pasan luego a peso, multiplicándolos por el peso específico de cada ingrediente 21

22

Paso 11: Mezclas de prueba

Paso 10: Ajustes por humedad







En el diseño de mezcla usualmente se supone que el peso de los agregados está referido a su condición seca. También se supone que la cantidad de agua está referida a la condición SSD de los agregados. Deben hacerse ajustes al agua y al agregado en exceso/defecto de estas suposiciones. Para los agregados:







Wmoist = Wdried (1 + MC )

Una mezcla de prueba debe hacerse para chequear los resultados. De la mezcla deben sacarse 3 cilindros, curarlos 28 dias, y ensayarlos en compresión simple. También debe registrarse el contenido de aire, el asentamiento y el peso. Si no se cumplen los requisitos, el diseño de la mezcla se debe ajustar.

 Para el agua:

Ww = Wwd − Wca (MC − SSD ) − W fa (MC − SSD ) 23

FIN DEL PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE MEZCLA 24

4

Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco




Dosificación mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)

Dosificar la mezcla por peso es mejor que por volumen. El hormigón debe ser mezclado continuamente hasta que la mezcla tenga aspecto uniforme. Si se utiliza una mezcladora estacionaria debe mezclarse por lo menos un minuto cuando la mezcla sea de 1 yd3 o menos. La duración de la mezcla debe aumentarse 15 segundos por cada yd3 adicional.




En la mezcladora los ingredientes se introducen en el siguiente orden: 10% del agua Parte del agregado grueso
Cemento
Agregado fino y resto del agregado grueso
Resto del agua.






Capacidad de las mezcladores varian de 2 yd3 a 12 yd3.

25

26

Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)






Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)

Ready-mixed concrete: se prepara en una planta y se lleva al sitio de obra en camiones. Los camiones tienen su velocidad de rotacion y numeros de revoluciones, especificados de modo que no se produzca segregación. WARNING! El hormigón debe ser descargado en el sitio dentro de los 90 min de iniciarse la mezcla, aunque se use retardador de fraguado.

27

28

Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)

Colocación del hormigón


Hormigón con bomba:






Vibración del hormigón:





29

El hormigón debe tener muy buena manejabilidad. El asentamiento debe estar entre 1-1/2 a 4 in. El objetivo es reducir el aire atrapado, homogeneizar la mezcla, y que el hormigon ocupe todo el espacio disponible. En pequeñas obras se usa varillas. En grandes obras debe usarse un vibrador. Sobre-vibración puede producir segregación. 30

5

Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)

Dosificación, mezcla y manejo de hormigón fresco (cont)


No debe agregarse agua durante el transporte del hormigón! Se va a compremeter seriamente la calidad y resistencia del hormigón.

31

32

Segregación y sangrado

Segregación y sangrado

Segregación: Las partículas grandes de agregados descienden a la zona inferior de la mezcla.
Sangrado: El movimiento hacia arriba del agua de la mezcla.
Consecuencias:


La parte superior del mortero es rica en agua y por lo tanto más débil.
El agua que sube queda atrapada bajo partículas de agregados, debilitando aun más la zona de transición.


33

34

Curado del hormigón

Curado del hormigón







Proceso para mantener un contenido de humedad y temperatura satisfactorio por un periodo de tiempo definido. El curado permite la hidratación continua y por lo tanto la ganancia continua de resistencia. Si se para el curado, al secarse el hormigón termina la ganancia de resistencia. Algunos números:




35

Si no se cura el hormigón, se desarrolla solo el 50% de la resistencia de uno continuamente curado. Si se cura por 3 dias, se alcanza el 60%. Si se cura por 7 dias, se alcanza el 80%. 36

6

Curado del hormigón (cont.)

Curado del hormigón (cont.)

Temperaturas menores a 50º F no favorecen el curado y deben evitarse.
Un buen curado favorece, además de la resistencia:







la durabilidad,
la impermeabilidad,
la resistencia a la abrasión,
la estabilidad de volumen,
resistencia a ciclos de hielo/deshielo, y
resistencia a químicos “de-icers”




El curado debe empezar al finalizar el fraguado. El curado se puede realizar:


Manteniendo la presencia de agua.













Previniendo la pérdida de agua del hormigón







Haciendo un estanque Sumergiendo Rociando humedad o vapor Usando cubiertas húmedas. Papel o plástico impermeable. Compuestos formadores de membrana. No retirando la formaleta

Suministrando calor



Curado con vapor Otras técnicas de aplicación de calor

37

Curado del hormigón: Rociado de humedad o vapor

38

Curado del hormigón: Uso de papel o plastico impermeable

39

40

Propiedades del hormigón endurecido

Curado del hormigón (cont.)


Tiempo de curado:




Tan largo como sea posible
Para estructuras normales a temperaturas mayores a 40ºF, el tiempo mínimo es de 7 dias o hasta que se consiga el 70% de la resistencia especificada.
Se puede reducir a 3 dias se se usa hormigón de alta resistencia inicial y la temperatura es mayor que 50º F.


41

Cambio inicial de volumen (encogimiento)







En estado fresco el hormigón disminuye 1% de su volumen. Esto se llama encogimiento plástico. Es debido a la pérdida de agua por evaporación o succión. Puede causar fisuras y debe prevenirse minimizando la pérdida de agua. Ya endurecido, y si no es curado, puede ocurrir el encogimiento por secado. El 15-30% de este encogimiento ocurre en las primeras dos semanas y el 65-85% en el primer año. 42

7

Propiedades del hormigón endurecido


Propiedades del hormigón endurecido

Deformación a largo plazo (creep).




Permeabilidad


Es el gradual aumento de la deformación, en el tiempo, bajo carga sostenida.
Esto ocurre durante años.
Algunas consecuencias






En

vigas, esta deformacion aumenta el esfuerzo en el acero.
En columnas resulta en una gradual transferencia de carga del hormigon al acero.
En estructuras preforzadas resulta en una perdida del pre-esfuerzo.










43

Propiedades del hormigón endurecido





Consolidación incompleta del hormigón fresco Evaporación del agua de la mezcla que no se usa en la hidratación

44

Propiedades del hormigón endurecido

Permeabilidad (cont)


Afecta grandemente la durabilidad del hormigón El concreto permeable permite la entrada de agua y químicos, los cuales reducen su resistencia al congelamiento, a la reacción alcalí-agregados y otros ataques químicos. El agua que penetra corroe al acero de refuerzo. Los vacios de los agregados típicamente no afectan la permeabilidad. Los vacios que sí afectan la permeabilidad provienen de:




Diagrama esfuerzo-deformacion (σ σ−ε)


Aumentando la relación w/c tiene un efecto severo en la permeabilidad. Otros factores que afectan la permeabilidad son: edad del hormigón, finura del cemento e incorporadores de aire.







Se analiza mediante ensayo de compresion de cilindros a los 28 dias. Aumentando la relacion w/c disminuye la resistencia y la rigidez. El diagrama σ−ε es linear para bajos esfuerzos, luego se vuelve no lineal Aumentando la relacion w/c el diagrama σ−ε se vuelve no lineal con menor deformacion. Hormigones de alta resistencia tienen picos agudos y falla subita cuando se comparan con hormigones de baja resistencia.

45

46

Propiedades del hormigón endurecido

Propiedades del hormigón endurecido


Diagrama esfuerzo-deformacion (σ σ−ε) La velocidad de carga afecta el diagrama σ−ε.
La forma del diagrama σ−ε es la misma en tensión.
Sin embargo, la resistencia en tensión es del 7~10% de la resistencia en compresión.
Usualmente la resistencia en tensión del hormigón se desprecia en el diseño.


47

48

8

Propiedades del hormigón endurecido


Propiedades del hormigón endurecido

Diagrama esfuerzo-deformacion (σ σ−ε) f’c = maximum stress = strength

Para determinar el modulo de elasticidad se utiliza el llamado modulo cuerda.
Segun el ASTM C469, el modulo de elasticidad del hormigon se define asi:


E=

Stress

f’c

Modulus of elasticity (concrete) ASTM C469

0.40f’c

0.40 fc − Sε =0.00005

ε f = 0.40 fc − 0.00005

fε=0.00005 ε=0.00005

εf=0.40f’c

Strain

εc

49

50

Propiedades del hormigón endurecido


Alternativas al hormigón convencional

Diagrama esfuerzo-deformación (σ σ−ε)
El módulo de Poisson varia entre 0.11~0.21
Es interesante notar que cuando el agregado y la pasta de cemento Portland (HCP) se ensayan separadamente, ambos tienen diagramas σ−ε lineal.
Sin embargo, el diagrama del hormigón es no lineal debido a la micro-fisuración del hormigón en la zona de transición entre agregados y la HCP.
La ACI permite calcular el módulo de elasticidad del hormigón como:

E = 57,000 f c′












Hormigón liviano Hormigón pesado Hormigón de alta resistencia Hormigón auto-compactante Hormigón compensador de encogimiento Hormigón y polímeros Hormigón reforzado con fibras Hormigón compactado con rolo Hormigón de alto desempeño

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Hormigón liviano

Hormigón pesado

Se define como un hormigón que a los 28 días resiste 2500 psi y tiene un peso seco de 115 lb/ft3.
Puede costar más pero el menor peso puede compensar el costo.
Los agregados livianos usados son altamente absorbentes.
¡Además tienden a segregarse yendo hacia arriba!

Usado como escudo en plantas nucleares, unidades médicas, etc.
Para aumentar el peso se usan agregados pesados (SG=3.4-6.5).
El peso de los agregados dificulta la manejabilidad y aumenta la segregación.
La manejabilidad se mejora con más arena.







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54

9

Hormigón pesado

Hormigón de alta resistencia (HSC)

Seattle Cancer Care Alliance The clinic’s underground linear accelerator vault uses concrete that weighs 350 pounds per cubic foot — more than twice that of typical concrete. This allowed the vault’s walls to be just 4 feet thick, instead of the standard 8-9 feet.














Definición: Hormigon hecho con agregados de peso normal y resistencias a compresión mayor a 6000 psi. Para obtenerlo se debe controlar la porosidad de la pasta de cemento y de la zona de transición. Para lograrlo se utilizan superplastificantes, frecuentemente complementados con aditivos puzolanicos. Tiene una excelente durabilidad. Es la unica forma de construir rascacielos de hormigon.

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Hormigon auto-compactante

Hormigón de alta resistencia (HSC) The most recognizable building with high strength concrete is the Twins Petronas Towers Kuala Lumpur, Malaysia; which has concrete with strengths around 20,000 psi (138 Mpa)

Hormigon altamente fuido y no segregante.
Se esparce, llenando la formaleta, y envolviendo el refuerzo sin necesidad de consolidacion mecanica.
Ventajas:


Se coloca mas rapido. Mejora y unformiza el acabado superficial.
Mejora el llenado en area restringidas y dificiles de llegar.



57

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Hormigon auto-compactante


Ventajas (cont):








Hormigon auto-compactante La fluidez y la estabilidad se miden mediante el ensayo de fluidez de asentamiento (slump flow test).
El esparcido esta entre 18 y 32 in.


Mejora la consolidacion alrededor del refuerzo. Mejora la capacidad de bombeo.

En el estado plastico, SCC debe tener fluidez y estabilidad. La fluidez se consigue con superplastificantes. La estabilidad se consigue aumentando la cantidad de finos, o usando aditivos que modifiquen la viscosidad de la mezcla. 59

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Hormigón y polímeros

Hormigón compensador de encogimiento








Añadir polvo de alúmina al cemento puede contrarestar el efecto del encogimiento del hormigón. Esa es la base del cemento tipo K.

Los polímeros se pueden utilizar de varias maneras:


En vez de la pasta de cemento  hormigón polimérico.
Algunos

dan fraguado rápido dan alta resistencia (20,000 psi)
Otros resisten al ataque de químicos.
¡Son muy caros!
Otros

Mezclado con la pasta de cemento  Hormigón de cemento Portland y polímero.
Impregnado al hormigón endurecido  Hormigón impregnado de polímero.


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Hormigón reforzado con fibras

Hormigón y polímeros

Las fibras sirven como puentes entre partes del hormigón fisurado. Se puede resistir cargas después de empezar la fisuración. La resistencia en flexión aumenta en 30%. Las fibras pueden ser de: acero, plástico, vidrio, etc. Las fibras disminuyen la manejabilidad. La cantidad de fibras se limitan al 2% por volumen. No aumentan grandemente la resistencia en compresión del hormigón







Polymer Concrete




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Hormigón reforzado con fibras

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Roller compacted concrete (RCC) Used for mass concrete. Low cement factor, relaxed gradation, water content selected on construction rather than strength requirement.
RCC is no-slump transported, placed and compacted with equipment used for earth and dam construction.
RCC is hauled by dump trucks, spread with bulldozers, and compacted with vibration compactors.



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11

Roller compacted concrete (RCC)


Roller compacted concrete (RCC)

Advantages: Economical because of low cement content.
Formwork is minimal
Low heat of hydration.
Placement costs lower.
Construction period is shorter.


RCC cost is 1/3 of conventional concrete.
Main uses: dams and large paved areas.


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68

Pervious concrete

Roller-compacted concrete (RCC)







Willow Creek Dam constructed in 1982, was the world's first all-RCC Dam. 69

Pervious concrete






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Pervious concrete

It consists of cement, coarse aggregate and water with little to no fine aggregates. The paste coats the aggregates and allows water to pass through the concrete slab. The addition of a small amount of sand will increase the strength. Water to cement ratio is 0.28 to 0.40 with a void content of 15 to 25% The correct quantity of water in the concrete is critical.






Concrete with high porosity used for concrete flatwork applications that allows water from precipitation and other sources to pass directly through It reduces the runoff from a site and allowing groundwater recharge. Traditionally used in parking areas, areas with light traffic, residential streets, pedestrian walkways, and greenhouses. It is an important application for sustainable construction and is one of many low impact development techniques used by builders to protect water quality.

A low water to cement ratio will increase the strength of the concrete, but too little water may cause surface failure.

A proper water content gives the mixture a wet-metallic appearance. 71

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12

Hormigón de alto desempeño (High performance concrete)


No es un hormigón específico. Es un hormigón que tiene algunas de las siguientes propiedades mejoradas:










Facilidad de colocación y compactación. Propiedades mecanicas a largo plazo. Resistencia temprana. Tenacidad. Estabilidad de volumen. Vida larga en ambientes severos.

Para obtenerlo se alteran la granulometría de los agregados, se usan aditivos especiales, se mejoran la práctica de mezcla y colocación, etc.

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13