TESIS INGENIERO CIVIL YOLANDA LUNA DIAZ ORDAZ ALFONSO RODRIGUEZ SANDOVAL

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO “ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL, COMO MARCO REFERENCIAL
Author:  Elvira Rojo Franco

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO

“ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL, COMO MARCO REFERENCIAL PARA EL DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CALIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN Y SUPERVISIÓN DE EDIFICACIONES CON ESTRUCTURA DE CONCRETO REFORZADO”

TESIS

PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO CIVIL

PRESENTAN:

YOLANDA LUNA DIAZ ORDAZ ALFONSO RODRIGUEZ SANDOVAL

ASESOR: ING. LUIS FERNANDO CASTRO PAREDES

MÉXICO, D.F. 2009

Agradecimientos: A Dios: Por darme la fuerza y capacidad de realizar una de tantas actividades que me dan satisfacción. A mi mamá: Por su apoyo incondicional y su gran ejemplo de lucha, trabajo y dedicación en la vida… que me impulsaron a culminar una de las fases más importantes en mi superación personal. Te amo mamá! A mi papá: Por su gran cariño y ejemplo, de esfuerzo invaluable y constante que realiza cada día para salir adelante…y que ha fomentado en mi. Te amo papá! A mis hermanas y sobrina: Por su cariño, enseñanza, apoyo y comprensión en todas las etapas compartidas…las amo! A Alfonso Rodríguez Sandoval: Por su apoyo, confianza y amor, pero sobretodo por su enseñanza de vida: dar el justo valor a cada cosa…gracias por existir…Te amo!! Gracias…

Yolanda Luna Díaz Ordaz

Agradecimientos: A Dios: Por haberme puesto varias pruebas para indicarme que esta era mi vocación. A mi papá: Por haberme despertado desde pequeño lo esencial en esta carrera “El ingenio”. Gracias por haberme hecho una persona de trabajo. A mi mamá: Por haberme apuntalado con sus consejos y regaños. Gracias por desvelos en mi periodo de la carrera; finalmente… rindieron frutos. A mi hermana, sobrino y tías: Por siempre estar al pendiente de mí, en sus oraciones. A Yolanda Luna Díaz Ordaz: Gracias colega por tu paciencia y amor durante la carrera y lograr la culminación de la misma con este trabajo conjunto. A mis amigos y enemigos: Por toda la fuerza que en mi generaron. Gracias…

Alfonso Rodríguez Sandoval

Índice INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN........................................................................................ 5 Justificación del proyecto…………………………………………………… 6 Objetivo de la tesis....................................................................................7

I. ANTECEDENTES DE LA UTILIZACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO 1.1. Concreto…………………………………………………………………… 8 1.2. Acero................................................................................................... 12 II. TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES 2.1. Introducción……………………………………………………………….16 2.2. Concreto…………………………………………………………………...16 a) Componentes………………………………………………………….. 16 Origen de los agregados Arena Grava Cemento Agua b) Proceso………………………………………………………………….. 29 Mezclado del concreto Acarreo Tipos de transporte Relación agua-cemento Proporcionamiento Colado Compactación Vibrado Curado Propiedades Pruebas del concreto: c) ADITIVOS…………………………………………………………………………... 53

2.3. Cimbra…………………………………………………………………….. 55 Definición Requisitos de la cimbra

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Índice Tipos de cimbra Diseño de la cimbra Montaje Apuntalamiento Colado Descimbrado Limpieza Almacenamiento Aditivos desmoldantes Topes y juntas Supervisión e inspección 2.4. Acero……………………………………………………………………… 73 Definición Componentes del acero Clasificación Propiedades Acero de refuerzo Tipos de refuerzo Prueba de tensión Requisitos complementarios del refuerzo: a) b) c) d) e) f) g)

Recubrimiento Anclaje Doblez Ganchos Soportes y estribos Bastones Traslapes

Almacenamiento del acero Limpieza del acero

III. NORMATIVIDAD 3.1. Normas de calidad NOM……………………………………………….. 91 3.2. Normas Técnicas Complementarias………………………………… 94

IV. PROBLEMÁTICA ESTRUCTURAL EN LAS EDIFICACIONES CON ESTRUCTURA DE CONCRETO REFORZADO, SI LOS PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS NO SE VINCULAN A LA NORMATIVIDAD ESTABLECIDA

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Índice 4.1. Excavación……………………………………………………………….. 125 Someras Profundas Análisis y diseño de excavaciones Taludes Secuencia de excavación Tipos de suelo Protección de colindancias Control de aguas freáticas Ejecución Apuntalamiento 4.2. Plantilla de concreto……………………………………………………. 138 4.3. Cimentación……………………………………………………………… 138 Cimentaciones superficiales a) Zapatas aisladas. b) Zapatas corridas. c) Losas de cimentación. Cimentaciones combinadas o compensadas. a) El cajón de concreto. b) Cascarones de concreto. c) Losas continuas. Cimentaciones profundas. a) Pilas. b) Pilotes. Proceso constructivo Concreto en cimentaciones Cimbra 4.4. Trabes………………………………………………………………………..147 Definición Cimbra Acero Concreto 4.5. Columnas…………………………………………………………………. 149 Definición Cimbra Acero Concreto

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Índice 4.6. Losas………………………………………………………………………. 153 Definición Cimbra Acero Concreto V. CAPACITACIÓN Y ACTUALIZACIÓN PARA CONSTRUCTORES Y/O SUPERVISOR DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO 5.1. Organización del personal técnico de la obra ……………………...158 Organización Bitácora de obra 5.2. Características del personal encargado de la construcción y/o supervisión de la estructura…………………………………………... 162 Órganos de la ejecución de obra Necesidad de supervisión Organización de la supervisión Requisitos del supervisor técnico Alcance de la supervisión Labores del supervisor Controles Control de la ejecución Procedimiento de control Especificaciones técnicas Programa de aseguramiento de la calidad 5.3. Conocimientos y/o capacitación y actualización……………………170 Importancia de las especificaciones Clasificación por objetivos

VI. CONCLUSIONES………………………………………………………………172

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………… 173

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Introducción INTRODUCCIÓN Desde que el ser humano superó el estado nómada y se decidió por una existencia sedentaria; surgió la inevitable necesidad de construir fisonomías y estructuras que le protegieran de las inclemencias y peligros propios del medio ambiente. En las primeras civilizaciones nos encontramos con la construcción de chozas, a base de materiales frágiles y sin estabilidad, como la paja y la arcilla, que protegían las comunidades de las adversidades del clima y tiempo.

Ilustración 1. Construcción antigua.

Ilustración 2. Poblado de chozas.

El desarrollo de la humanidad, traería consigo una abundante variedad de edificaciones, originadas en diversos motivos: las mezquitas y monasterios del oriente, los templos e iglesias del occidente, las grandes necrópolis egipcias y aztecas de la antigüedad, la muralla china construida tres siglos antes de Cristo, los castillos y recintos fortificados del medioevo, hasta los rascacielos de New York o de Bangkok y también los bohíos y casuchas de los barrios y favelas marginadas de Latinoamérica y África; que aún persisten como signo del subdesarrollo, rememorando las primeras construcciones humanas. Universidades, puentes, museos, viviendas, cárceles, avenidas, edificios comerciales, acueductos, presas, catedrales, parques, centros de diversión, etc., son testimonio del interés humano por adecuar el ambiente a sus múltiples necesidades y manifestaciones culturales. El desarrollo de la industria de la construcción de cada pueblo siempre ha sido un indicador del nivel evolutivo que éste ha alcanzado, por lo que las normas jurídicas que regulan la construcción, del mismo modo, se han ido elaborando conforme las sociedades han tenido la necesidad de sujetar a reglas el entorno edificado que les sirve de hábitat.

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Justificación Justificación del proyecto El concreto es el material de construcción que más se utiliza en nuestro país, también se considera como un material seguro y resistente. Se usa en todo tipo de construcciones, desde una vivienda hasta conjuntos de edificios y complejos comerciales. Se piensa en términos generales que las estructuras de concreto son durables y proporcionan una vida útil. Al mismo tiempo la sociedad ha exigido estructuras funcionales, resistentes, durables y fácil colocación. A través del tiempo se han realizado abundantes obras de ingeniería y arquitectura, donde el dicho material ha desempeñado un papel primordial. A medida que el concreto se convirtió en un material de uso práctico; se ha catalogado como el más importante para la construcción de las superestructuras de gran altura. Hoy en día no es posible imaginar la industria de la construcción sin el concreto, ni es posible imaginar al concreto sin la tecnología, los equipos, la maquinaria y sus principales componentes. El país requiere estar a la vanguardia tecnológica y seguir formando ingenieros capaces de influir en la construcción de la infraestructura; para ello es importante conocer sus grandes rectores: la capacitación, la tecnología y productos asociados. Por ello la labor de este trabajo se centrará en proporcionar una explicación clara y concisa de todos los aspectos que influyen en la utilización del concreto, desde el aspecto estructural hasta la preparación, acabado y el curado del mismo; también mencionaremos el estudio y análisis del Reglamento y Normas de la construcción vigentes; así como sus aplicaciones.

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Objetivo de la tesis Objetivo de la tesis La intención de dicha investigación es que los temas abordados sirvan como auxiliares en la supervisión en obras de concreto, para desarrollar una mejor comprensión de los términos sumamente técnicos, a través de definiciones claras acompañadas de ilustraciones simples. Una comprensión general de estos términos, ayudará a facilitar la comunicación en la industria de la construcción, y facilitará un mejor funcionamiento entre los trabajadores de la construcción a quien va dirigida: constructores, ingenieros, supervisores, arquitectos y toda persona interesada en entender los procesos involucrados, para llevar a cabo una obra de ingeniería. Se encontrarán en términos simples los principios que rigen la preparación de concreto, y se mostrará cómo el conocimiento de éstos principios y de las propiedades del concreto puede aplicarse a la construcción de estructuras permanentes; incluyendo los avances de la tecnología del concreto. Por lo que el objetivo principal, del presente trabajo tiene como finalidad: “Fortalecer los conocimientos sobre las funciones y responsabilidades del supervisor, sobre los buenos procedimientos y técnicas actuales de construcción con concreto, para garantizar el cumplimiento exacto del proyecto estructural, sus especificaciones y los documentos contractuales; con el fin de conocer el comportamiento y la relación del concreto con los aspectos formales y estructurales en el diseño y construcción”. Asimismo se desarrollan comentarios sobre el empleo del Reglamento y Normas que se aplican en el ámbito de la construcción.

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Antecedentes históricos I. ANTECEDENTES DE LA UTILIZACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO 1.1. CONCRETO La historia del cemento es la historia misma del hombre en la búsqueda de un espacio para vivir con la mayor comodidad, seguridad y protección posible. Desde que el ser humano superó las eras de las cavernas, ha aplicado a superar y a delimitar su espacio vital, satisfaciendo primero sus necesidades de vivienda y después levantando construcciones con requerimientos específicos; que constituyeron las bases para el progreso de la humanidad. En tiempos remotos, el pueblo Egipcio utilizaba ladrillos de barro o adobe secados al sol y colocados en forma regular, que se pegaban con una capa de arcilla del río Nilo, con o sin paja, a fin de crear una pared sólida de barro seco. Un mortero (mezcla de arena con materia cementosa) para unir bloques y lozas de piedra al erigir sus asombrosas construcciones.

Ilustración 3. Pirámides de Egipto.

En la isla de Creta, se mezcló cal con arena para hacer mortero. Los romanos adaptaron y mejoraron esta técnica para lograr construcciones de gran durabilidad (ejemplo: el Coliseo y el Partenón en Roma).

Ilustración 4. Construcciones Romanas.

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Antecedentes históricos Los Griegos fueron los primeros en percatarse de las propiedades cementantes de los depósitos volcánicos, al ser mezclados con caliza y arena, lo que actualmente conocemos como puzolanas (latín: Puteoli, un pueblo cercano a la bahía de Nápoles); mortero de gran fuerza, capaz de resistir la acción del agua, dulce o salada. En los siglos IX al XI se perdió el arte de calcinar para obtener cal y los morteros usados eran de mala calidad. Para los siglos XII al XIV, revive el arte de preparar mortero con las técnicas usadas por los romanos y para el siglo XVIII se reconoce el valor de la arcilla sobre las propiedades hidráulicas de la cal. En 1756 John Smeaton (ingeniero inglés), encontró que al combinar la cal viva con otros materiales creaba un material extremadamente duro que se podría utilizar para unir otros materiales. Utilizando este conocimiento se construye la primera estructura de concreto (proporciones para el cemento). Para 1796 James Parker casó una patente para cemento hidráulico natural (cemento de Parker o cemento romano). En 1816 se construye el primer puente de concreto en Souillac, Francia. Se asoció un entrampado de barras de hierro con concreto en ambas caras; que se aplicó en una iglesia de Courbevoie, Francia en 1820. Joseph Aspdin obtuvo la primera patente británica en 1824 para producir Cemento Pórtland, por medio de un proceso de pasta (método húmedo) y más tarde se utiliza el primer concreto moderno producido en América en la construcción del canal de Erie. El volumen de concreto usado en su construcción le adjudicó ser el proyecto de concreto más grande de sus días. Este período se caracterizó por la aplicación de tres materiales; el acero, el cristal y el concreto, que permitirían la industrialización de la producción, la prefabricación, el rápido montaje y la pronta recuperación del capital, todo esto en busca de una prosperidad económica a través del libre mercado, en el que la competencia se convertiría en la fuerza motriz del progreso. En 1845 Isaac Jonson obtiene el prototipo del cemento moderno quemado a gran temperatura: una mezcla de caliza y arcilla que dio origen al llamado “clinker”. En Londres, 1851: nace el primer evento de carácter mundial acerca de la construcción. Para conmemorar este evento, se construye un edificio para albergar a todas las naciones, hecho encomendado a Joseph Pastón quien haciendo uso de acero recubierto con cristal, creó el Palacio de Cristal. Es durante la construcción del Palacio Industrial, fundado en los Campos Elíseos en Francia, cuando se pensó en que se realizarían las primeras investigaciones y los primeros productos de la técnica del concreto armado, planteando la integración de las artes y las técnicas.

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Antecedentes históricos

Ilustración 5. Fachada del Palacio de Cristal.

Ilustración 6. Palacio de Cristal

En 1861, el francés Coignet construyó un solar con el principio de entrampado de acero y cimbrado para recibir el concreto, posteriormente se crearon las primeras losas con refuerzo metálico embebido en el concreto. El jardinero Monier, construyó un depósito de agua de 200 m3, y sus procedimientos fueron aplicados en la construcción de bóvedas armadas, y después en vigas rectas. Más tarde el ingeniero Mazas aplicó por primera vez el cálculo de los elementos de concreto, fundamentando las bases de las resistencias de materiales. En 1890 se introdujo el yeso como retardante del fraguado y se utilizaron altas temperaturas, para obtener silicatos con alto contenido de óxido de calcio; y para 1900, se estandarizan las pruebas básicas del concreto.

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Antecedentes históricos Para 1901 Arthur Henry Symons diseñó una abrazadera de columna que se utilizaría como encofrado de concreto, que se caracterizaba por ser ajustable y mantener las formas cuadradas. Se comenzó a introducir las innovaciones del concreto armado a la arquitectura y la ingeniería; a partir de este momento, se alcanza un gran desarrollo en las técnicas, métodos constructivos y cálculos. Con este crecimiento tecnológico, nacen industrias relacionadas o derivadas del cemento. Para controlar mejor su uso y para su empleo más eficiente, se crean industrias del concreto premezclado, de la prefabricación, del preesfuerzo, tubos, bloques, entre otras. Se fundó la Institución Británica de Estándares en 1904, y se publica la primera especificación del Cemento Pórtland por la American Society for Testing Materials (ASTM). Que dieron comienzo a las investigaciones sobre las propiedades del cemento, con una base científica y sistemática. Más tarde, Frank Lloyd utiliza el concreto en vigas ocultas de ayuda, losas, paredes y techos; también se construye El Canal de Panamá que ofrece tres pares de exclusas de concreto. En 1960, se patenta el Cemento Sulfoaluminoso (Klein) e inaugurándose la Casa de Opera en Sydney en 1973, aparecen los desbloqueadores líquidos, compuestos para curar, selladores de acrílico y endurecedores, gracias a la línea química de productos de concreto de Symons.

Ilustración 7. Casa de Opera.

Para 1985, cenizas volantes son introducidas como aditivo puzolánico, y el sistema de formación de concreto se introduce en 1987. La aparición del cemento ha sido un factor determinante para que el mundo adquiera fisonomía diferente. Edificios, calles, avenidas, carreteras, presas, canales, fábricas, talleres y casas, dentro del más alto rango de tamaño y variedades, nos dan un mundo nuevo de comodidad, de protección y belleza, donde realizar nuestros más ansiados anhelos, un nuevo mundo para trabajar, para crecer, para progresar, para vivir.

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Antecedentes históricos 1.2. ACERO No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible para ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto, datan del año 3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico, llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal; esta esponja de hierro, se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria, soldar y consolidar el hierro.

Ilustración 8. Fundición del acero.

El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0.1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.

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Antecedentes históricos

Ilustración 9. Fundición de metal.

Después del siglo XIV, se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño, el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero se emplea en altos hornos, que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire, se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre.

Figura 1. Transformación del mineral de hierro en arrabio.

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Antecedentes históricos Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

Figura 2. Alto horno.

LOS PRIMEROS ACEREROS Como el hierro se corroe fácilmente, no se conservan piezas muy antiguas, que sirvan de pista para localizar a los primeros fundidores de hierro que supieron explotar lo primeros minerales ferrosos. Los minerales ferrosos son mucho más abundantes en la tierra que el hierro meteórico, sin embargo las técnicas para aprovecharlos son mucho más complicadas. Para aprovechar el hierro meteórico solamente hay que conformarlo a base de martillazos, inclusive en algunos casos no hay necesidad de calentarlo. Los minerales ferrosos, por el contrario, son una mezcla de óxidos de hierro y una cantidad variable de otros compuestos, donde la separación del hierro no es nada fácil. Es probable que de manera accidental, los antiguos hayan descubierto pequeños trozos de hierro en residuos de fogatas, donde se quemó leña en abundancia en contacto con rocas de alto contenido férrico. Esto es concebible porque el hierro ocupa el cuarto lugar en abundancia en la corteza terrestre después del oxígeno, el silicio y el aluminio. Hasta aquí los antiguos tenían hierro, no acero. Hay indicios de que alrededor del año 1200 a.C. ya se sabía cómo convertir la superficie del hierro forjado en acero. Entre los antiguos, el hierro era considerado de origen celeste, sideral. Algunos pensaban que el cielo era una bóveda de donde se desprendían los meteoritos. Los herreros eran señores del fuego, brujos, chamanes, capaces de lograr una transmutación que hacía aparecer el material de los cielos en la tierra.

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Antecedentes históricos El proceso de "aceración" del hierro, se dice, surgió por la necesidad de contar con un material tan fuerte como el bronce. El efecto del carbono en el endurecimiento del acero, se compara con el efecto del estaño en el cobre. Para tener una ventaja notoria sobre el bronce, los herreros tuvieron que ingeniárselas para introducir un 0.4% de carbono en el hierro. Los herreros antiguos empacaban a los objetos de hierro en polvo de carbón de leña y los metían en un horno para que el carbono se difundiera en el hierro. A temperaturas tan altas como 950°C, toma nueve horas formar una corteza de acero (con 0.5% de carbono) de 1.5 mm. de grueso alrededor de la pieza de hierro. Este proceso, con algunas variantes, todavía se emplea en la actualidad y se conoce como cementación. Al emerger la civilización de la oscuridad de la Edad Media, todavía la cementación era el método más generalizado para convertir la superficie del hierro forjado en acero.

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Tecnología de los materiales II. TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

2.1. INTRODUCCION En muchas ocasiones se recurre al concreto como un material de construcción seguro y resistente. El concreto es básicamente una mezcla de dos componentes, agregado y pasta para formar una masa que al fraguar y endurecer adquiere una consistencia similar a la de las mejores piedras naturales. 2.2. CONCRETO a) COMPONENTES Cuando el cemento se combina con agua para formar una pasta de aspecto similar a una roca, esta mezcla se combina con los agregados arena y grava, para que actúe como adhesivo al unir las partículas de agregado para formar así a lo que llamamos concreto; el material de construcción más versátil. Así que se consideran los principales componentes del concreto: a los agregados (arena que es agregado fino y grava-agregado grueso), agua y cemento.

Ilustración 10. Componentes del concreto

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Tecnología de los materiales ORIGEN DE LOS AGREGADOS La definición del origen y la composición de las rocas es un asunto útil y necesario, porque permite inferir ciertos aspectos relacionados con el comportamiento de las mismas al ser utilizadas como agregados en el concreto. Por su génesis geológica, las rocas se dividen en ígneas, sedimentarias y metamórficas, las que a su vez se subdividen y clasifican en diversos tipos de acuerdo con sus características textuales y mineralógicas. Las rocas ígneas, proceden de la solidificación por enfriamiento de la materia fundida (magma), las rocas sedimentarias, como su nombre lo indica, son el resultado del proceso de transporte, depósito y eventual litificación, sobre la corteza terrestre, de los productos de intemperismo y erosión. Las rocas metamórficas se forman como consecuencia de procesos que involucran altas presiones y temperaturas y de fuerzas que se generan en la corteza terrestre.

Ilustración 11. Origen de los tipos de rocas (agregados).

El agregado se refiere a cualquier de los diferentes materiales minerales inertes, como la grava y la arena, que se añaden a la pasta de cemento para hacer el concreto. Debido a que el agregado representa del 60 al 89% del volumen del concreto, sus propiedades son importantes para la resistencia, el peso y resistencia al fuego del concreto endurecido. El agregado debe ser duro, dimensionalmente estable, libre de arcilla, limo y materia orgánica que puede evitar la aglomeración de las partículas por la matriz de cemento.

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Tecnología de los materiales ARENA Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm. La arena o árido fino es el material que resulta de la desintegración natural de las rocas o se obtiene de la trituración de las mismas, y cuyo tamaño es inferior a los 5mm. Para su uso se clasifican las arenas por su tamaño. A tal fin se les hace pasar por unos tamices que van reteniendo los granos más gruesos y dejan pasar los más finos.

Ilustración 12. Agregado fino (arena).

Ilustración 13. Tamices para agregado fino.

Arena fina: Sus granos pasan por un tamiz de mallas de 1mm de diámetro y son retenidos por otro de 0.25mm. Arena media: es aquella cuyos granos pasan por un tamiz de 2.5mm de diámetro y son retenidos por otro de 1mm. Arena gruesa: Sus granos pasan por un tamiz de 5mm de diámetro y son retenidos por otro de 2.5mm. Las arenas de granos gruesos dan, por lo general, morteros más resistentes que las finas, si bien tienen el inconveniente de necesitar mucha pasta de conglomerante para rellenar sus huecos y ser adherentes. El almacenamiento de éste agregado debe ser uniforme con relación al centro. Puede llevarse a cabo por medio de una chimenea, la cual debe rodear al material que cae del extremo del transportador, para evitar que el viento separe el material. La chimenea deberá tener aberturas de manera que se puedan descargar los materiales a diferentes alturas sobre el montón.

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Tecnología de los materiales GRAVA Es el agregado grueso resultante de la desintegración natural y abrasión de rocas o transformación de un conglomerado débilmente cementado. Se consideran como gravas a los fragmentos de roca con un diámetro inferior a 15 mm. Los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16.

Ilustración 14. Agregado grueso (grava).

Ilustración 15. Tamices para agregado grueso.

Tienen aplicación en mampostería, confección de concreto armado y para pavimentación de líneas de ferrocarriles y carreteras. Además de las rocas que se encuentran ya troceadas en la naturaleza, se pueden obtener gravas a partir de rocas machacadas en las canteras. Como las arenas o áridos finos, las gravas son pequeños fragmentos de rocas, pero de mayor tamaño. Por lo general, se consideran gravas los áridos que quedan retenidos en un tamiz de mallas de 5mm de diámetro. En cuanto a la forma, se prefiere los áridos rodados, esto es, los procedentes de ríos y playas. Los áridos naturales, de forma más o menos redondeada, los cuales son más dóciles y de más fácil colocación que los obtenidos con piedra machacada. Este tipo de agregado deberá almacenarse utilizando una grúa u otro equipo en montones separados, cada uno mayor que la carga de un camión; de manera que permanezca en el lugar donde se coloque y no ruede por los taludes.

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Ilustración 16. Almacenamiento de grava.

Generalmente los montones no deberán formarse en capas horizontales radialmente, empujando los materiales que se descargan desde un transportador de banda cuando se almacenan en montones los agregados de tamaño grande, se dejan caer de transportadores elevados; la ruptura mínima se obtiene usando una escalera para roca. Si los agregados finos (arenas) y gruesos (gravas) están mojados, deben ser almacenados en donde permanezcan limpios y separados de otros materiales y estén secos .Si esto sucede, se debe utilizar menos agua en la mezcla.

CEMENTO. El Cemento Portland es un polvo mineral finamente molido, resultante de la trituración, mezcla y calcinación de los siguientes materiales de origen natural: la caliza, la arcilla y pequeñas cantidades de otras materias primas. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad.

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Tecnología de los materiales

Ilustración 17. Cemento a granel.

El cemento moderno se desarrolló a través de varios descubrimientos. En el año 1756, un constructor inglés llamado John Smeaton descubrió que el mejor mortero se obtenía cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía material arcilloso. En 1824, Joseph Aspdin preparó un cemento calentando una mezcla de arcilla, finamente triturada y caliza, que denominó y patentó con el nombre de “cemento portland”. El prototipo del cemento moderno lo obtuvo Isaac Johnson en el año 1845, quien quemó a altas temperaturas una mezcla de arcilla y caliza hasta formar el “clinker”. En las actuales fábricas de cemento, este clinker se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino al cual se le adiciona yeso y el producto resultante es el cemento portland que tanto se usa en todo el mundo. La presentación de dicho producto, es generalmente, en sacos de 50 kg.

Ilustración 18. Sacos de cemento.

Los cementos Pórtland son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos de calcio hidráulicos, esto es, fraguan y endurecen al reaccionar químicamente con el agua. En el curso de esta reacción, denominada hidratación, el cemento se combina con el agua para formar una pasta y cuando le son

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Tecnología de los materiales agregadas arena y grava triturada, se forma lo que se conoce como el material más versátil utilizando para la construcción, es decir, el concreto. La hidratación inicia en el momento en que el cemento entra en contacto con el agua, el endurecimiento de la mezcla da principio generalmente a las tres horas y el desarrollo de la resistencia se logra a lo largo de los primeros 30 días, aunque éste continúa aumentando muy lentamente por un periodo mayor de tiempo. En la fabricación del cemento, se utilizan normalmente calizas de diferentes tipos, arcillas, aditivos -como el mineral de fierro cuando es necesario- y en ocasiones materiales silicosis y aluminosos. Estos materiales son triturados y molidos finalmente para luego ser alimentados a un horno rotario a una temperatura de 1,400 grados centígrados y producir un material nodular de color verde oscuro denominado CLINKER.

Ilustración 19. Muestras de cemento.

El clinker, la materia prima para producir el cemento, se alimenta a los molinos de cemento junto con el mineral de yeso, el cual actúa como regulador del fraguado. La molienda conjunta de estos materiales produce el cemento. Las variables a controlar y los porcentajes y tipos de materiales añadidos, dependerán del tipo de cemento que se requiera producir. El tipo de materias primas y sus proporciones se diseña en base al tipo de cemento deseado.

CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS El cemento, es el material de mayor importancia en la mezcla, puesto que es elemento que proporciona resistencia al concreto. Los cementos de uso más común en México son los cementos Pórtland gris tipo I y el C-2 puzolánico, aunque también se emplean los tipos II y IV.

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Tecnología de los materiales Tabla 1. La clasificación de los tipos de cemento está proporcionada por la norma ASTM C 150 que establece ocho diferentes tipos de cementos, de acuerdo a los usos y necesidades del mercado de la construcción. TIPO

NOMBRE

I

Normal

IA

Normal

II

Moderado

IIA

Moderado

III

Altas resistencias

IIIA IV

Altas resistencias Bajo calor de hidratación Resistente a la acción de los sulfatos

V

APLICACIÓN Para uso general, donde no son requeridos otros tipos de cemento. Uso general, con inclusor de aire. Para uso general y en construcciones donde existe un moderado ataque de sulfatos o se requiera un moderado calor de hidratación. Igual que el tipo II, pero con inclusor de aire. Para uso donde se requieren altas resistencias a edades tempranas. Mismo uso que el tipo III, con aire incluido. Para uso donde se requiere un bajo calor de hidratación. Para uso general y además en construcciones donde existe un alto ataque de sulfatos.

Tipo I Este tipo de cemento, es de uso general y se emplea cuando no se requiere de propiedades y características especiales, que lo protejan del ataque de factores agresivos como sulfatos, cloruros y temperaturas originadas por el calor de hidratación. Entre los usos donde se emplea este tipo de cemento están; pisos, pavimentos, edificios, estructuras y elementos prefabricados. Tipo II El cemento Pórtland tipo II, se utiliza cuando es necesaria la protección contra el ataque moderado de sulfatos, como por ejemplo en las tuberías de drenaje, siempre y cuando las concentraciones de sulfatos sean ligeramente superiores a lo normal, pero sin llegar a ser severas. (En caso de presentarse concentraciones mayores, se recomienda el uso de cemento tipo V, el cual es altamente resistente al ataque de los sulfatos). Genera normalmente menos calor que el cemento tipo I, y este requisito de moderado calor de hidratación puede especificarse a opción del comprador. En casos donde se especifican límites máximos para el calor de hidratación, puede emplearse en obras de gran volumen y particularmente en climas cálidos, en aplicaciones como muros de contención, pilas, presas, etc. La Norma ASTM C 150 establece como requisito opcional un máximo de 70 cal/g a siete días para este tipo de cemento. Tipo III Este tipo de cemento desarrolla altas resistencias a edades tempranas, a 3 y 7 días. Esta propiedad se obtiene al molerse el cemento más finamente durante el proceso de molienda. Su utilización se debe a necesidades específicas de la construcción, cuando es necesario retirar cimbras lo más pronto posible o cuando

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Tecnología de los materiales por requerimientos particulares, una obra que tiene que ponerse en servicio muy rápidamente, como en el caso de carreteras y autopistas. Tipo IV El cemento Pórtland tipo IV se utiliza cuando por necesidades de la obra, se requiere que el calor generado por la hidratación sea mantenido a un mínimo. El desarrollo de resistencias de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo las grandes presas. Tipo V El cemento Pórtland tipo V se emplea en obras donde el concreto está expuesto a la acción severa de los sulfatos, principalmente en aquellos lugares donde los suelos y las aguas freáticas contienen sulfatos en concentraciones muy altas. El desarrollo de resistencia es sumamente lento. La gran resistencia al ataque de los sulfatos mostrada por este tipo de cemento, se debe al bajo contenido de aluminato tricálcico del mismo. La resistencia al ataque por sulfatos se incrementa con aire incluido, o con bajas relaciones agua-cemento. Cementos naturales Es un compuesto de cal, alumina, fierro, sílice, finalmente pulverizado; no requiere un esfuerzo específico, para ajustar su composición, siendo en su color verdoso, grisáceo o terreo. Su principal aplicación es en los morteros, (mezcla para reglar o juntar mampostería, gradas y algunas veces se emplean como aditivo de bajo costo para concreto, de cemento Pórtland. Tiene una resistencia de 20 kg/cm2 A 80 kg/cm2 y su temperatura de cocción oscila entre 1000 a 1450 °C. Cementos artificiales Se llama así a todos aquellos cementos, cuya fabricación parte de mezclas de caliza y arcilla, preparadas y dosificadas con la ventaja de composición que no se da en las marcas naturales. Cemento Pórtland Es un cemento artificial, con un conglomerante hidráulico y una cantidad de cal (CAO) no inferior de 1.7% de su peso; una parte de silicato soluble aluminia (A103) y pequeñas cantidades de óxido perrimo, obtenido por una energía de trituración y una mezcla íntima de los materiales, hasta llegar a la conclusión y molienda, reduciendo a polvo. Este cemento es la mezcla de materiales arcillosos y calcáreos, cuya mezcla se calcina en un horno rotatorio a una temperatura de 1500 °C por lo que se formaban bolas ongulizadas llamadas Clinker, junto a un retardador, obteniendo una mezcla fina y homogénea en forma de polvo. El cemento Pórtland es empacado en sacos de papel comúnmente de 20 kg.

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Tecnología de los materiales La Norma ASTM C 150 establece un valor máximo de 5% de contenido de aluminato tricálcico para este tipo de cemento.

OTROS TIPOS DE CEMENTO Cemento de albañilería Estos son, cementos hidráulicos diseñados para emplearse en morteros, para construcciones de mampostería. Están compuestos por alguno de los siguientes: cemento Pórtland, cemento Pórtland puzolana, cemento Pórtland de escoria, cal hidráulica o cemento natural. Además, normalmente contienen materiales como cal hidratada, caliza, creta, talco o arcilla. La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería, se mantienen a niveles uniformes gracias a los controles durante su manufactura. Aparte de ser empleados en morteros para trabajos de mampostería, pueden utilizarse para argamasas y aplanados, más nunca se deben de utilizar para elaborar concreto. Cementos expansivos El cemento expansivo, es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el periodo de endurecimiento, a edad temprana después del fraguado. Debe satisfacer los requisitos de la especificación ASTM C 845, en la cual se le Cemento Pórtland Blanco El cemento Pórtland blanco, difiere del cemento Pórtland gris únicamente en el color. Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C 150, normalmente con respecto al tipo I o tipo III; el proceso de manufactura, sin embargo, es controlado de tal manera que el producto terminado sea blanco. El cemento Pórtland blanco es fabricado con materias primas que contienen cantidades insignificantes de óxido de hierro y de manganeso, que son las sustancias que dan el color al cemento gris El cemento blanco se utiliza para fines estructurales y para fines arquitectónicos, como muros precolados, aplanados, pintura de cemento, páneles para fachadas, pegamento para azulejos y como concreto decorativo.

ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO El cemento Pórtland que se mantiene seco, conserva sus cualidades indefinidamente, para ello es necesario llevar a cabo un buen almacenamiento. El cemento Pórtland almacenado en contacto con la humedad, fragua más despacio y tiene menos resistencia. El aire del cobertizo o bodega que se use para almacenar cemento, deberá estar tan seco como sea posible. Deberán taparse todas las grietas y aberturas.

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Tecnología de los materiales Los sacos de cemento no se deben almacenar en suelos húmedos. Los sacos se deberán estibar juntos para reducir la circulación del aire, pero no se deben apoyar contra los muros exteriores. Los sacos que se van almacenar durante largos periodos, se deben cubrir con lonas u otras cubiertas impermeables obteniendo así una protección adicional. En las obras más pequeñas, en las que no se dispone de cobertizos, los sacos deberán colocarse en plataformas de madera elevadas. Deberán ponerse cubiertas impermeables sobre los montones y las orillas de las mismas, deberán rebasar los bordes de la plataforma para evitar que la lluvia llegue al cemento y a la plataforma.

Ilustración 20. Almacenamiento de cemento

Ilustración 21. Protección de cemento

El cemento almacenado por largos periodos, pueden sufrir lo que se llama “compactación de bodega”. Cuando se use el cemento deberá fluir libremente y no contener terrones. Si los terrones no se rompen con facilidad, el cemento debe probarse cuando se trate de trabajos importantes antes de usarlo. El cemento a granel, usualmente se almacena en silos impermeables. Ordinariamente, no permanece almacenado durante largo tiempo, pero puede almacenarse un tiempo relativamente largo sin que se perjudique. AGUA. Casi cualquier agua natural que sea potable y que no tenga sabor u olor pronunciado, se puede utilizar para producir concreto. Su función principal es el reaccionar químicamente con el cemento. Sin embargo, algunas aguas no potables pueden ser adecuadas para el concreto. Se puede utilizar para fabricar concreto, si los cubos de mortero producidos con ella, alcanzan resistencia a los siete días iguales, al menos el 90% de especimenes testigo fabricados con agua potable o destilada.

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Tecnología de los materiales

Ilustración 22. Incorporación del agua a los agregados.

Las impurezas excesivas en el agua, no solo pueden afectar el tiempo de fraguado y la resistencia de él concreto, sino también, pueden ser causa de eflorescencia, manchado, corrosión del refuerzo, inestabilidad volumétrica y una menor durabilidad. El agua que contiene menos de 2,000 partes de millón (ppm) de sólidos disueltos totales, generalmente puede ser utilizada de manera satisfactoria para elaborar concreto. Deberá ser ensayada para investigar su efecto sobre la resistencia y el tiempo de fraguado. No se debe usar agua de mar, ya que puede corroer el acero en el concreto. En el caso del agua que se emplea en la fabricación del concreto, se considera que puede tener dos funciones principales en el proceso; la primera como agua de mezclado y la segunda como agua de curado. Ambas funciones son evaluadas por la Norma NMX C-122 estableciendo los parámetros que deben cumplir las aguas no potables, así como una clasificación de los diversos tipos de agua que existen y sus efectos y limitaciones para ser usadas en el concreto. Cuando el agua funciona como un ingrediente en la fabricación de concreto, es decir, como agua de mezclado, se puede estimar que el agua ocupa entre 10 y 25 % de cada metro cúbico de concreto que se fabrica.

CLASIFICACION DE AGUA (NMX C-122) Tabla 2. Tipos de agua. Tipo de agua Aguas puras Aguas ácidas naturales Aguas fuertemente salinas Aguas alcalinas Aguas sulfatadas Aguas cloruradas Aguas magnesianas

Efectos con su uso en concreto Acción disolvente e hidrolizante de compuestos cálcicos del concreto. Disolución rápida de los compuestos del cemento Interrumpe las reacciones del fraguado del cemento. En el curado, disolución de los componentes cálcicos del concreto. Produce acciones nocivas para cementos diferentes al aluminoso. Son agresivos para concretos fabricados con cementos Pórtland, en especial al tipo I. Produce una alta solubilidad de la cal. Tienen a fijar la cal, formando hidróxido de magnesio y yeso

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Tecnología de los materiales Agua de mar Aguas recicladas Aguas negras

insoluble. En la mezcla, inhibe el proceso de fraguado del cemento. Produce eflorescencias. Incrementa la posibilidad de generar corrosión del acero de refuerzo. El concreto puede acusar los defectos propios del exceso de finos. Efectos imprevisibles.

CARACTERISTICAS FISICAS Y QUIMICAS (NMX C-122) El agua no potable, empleada para el concreto, en cualquiera de las dos funciones anteriormente mencionadas y dependiendo del cemento que se utilice. Tabla 3. Clasificación del agua según sus características: Impurezas Sólidos en suspensión -limos y arcillas -finos de cemento y agregados Cloruros como Cl-(a) -concreto con acero de refuerzo -concreto reforzado en ambientes húmedos Sulfato como SO42-=(a) Magnesio como Mg2+(a) Carbonatos como CO32Dióxido de carbono disuelto, como CO2 Álcalis totales cono Na+ Total de impurezas en solución Grasas o aceites Materia orgánica pH

Cementos ricos en Ca

Cementos resistentes a sulfatos

2,000 50,000

2,000* 35,000*

400 (c) 700 (c)

600 (c)* 1000 (c)*

3,000 100 600 5 300 3,500 0 150 (b) no

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