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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERA CIVILREGIN XALAPA
EFICIENCIA ANTICORROSIVA DE VARIILAS GALVANIZADAS
EMBEBIDAS EN CONCRETO CONTAMINADO Y EXPUESTO A UNMEDIO MARINO
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:
INGENIERO CIVIL
PRESENTA
Blanca Beatriz Cruz Morales
DIRECTORES
DR. MIGUEL NGEL BALTAZAR ZAMORADR. DEMETRIO NIEVES MENDOZA
Xalapa, Ver., Mxico JUNIO 2010
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres:Alejandro Cruz GmezBlanca Estela Morales Santos
A quienes debo todo. ! GraciasPor confiar en m los am,
A mis hermanos:Alejandro Cruz Morales e
Irasema Elizabeth Cruz moralesQue los amo y adoro.
A mi esposo e hijo que siempre estuvieronCerca de m apoyndome
Y aconsejndome siempre los Amo...
A mi familia y amigos que siempre
Estuvieron presentes en toda mi carrera.
Un especial agradecimiento alDr. Miguel ngel Baltazar Zamora
Mi director de tesis
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INDICE
Introduccin 4
Descripcin del problema 5Justificacin del tema 6
Captulo I. El fenmeno de la corrosin del acero de refuerzo en estructuras
de concreto 7
1.1Principios de corrosin 7
1.1.1 Definicin de corrosin metlica 7
1.1.2 Corrosin electroqumica 8
1.1.3 Reacciones andicas y catdicas. Oxidacin y reduccin. 9
1.1.4 Potencial electroqumico 10
1.1.5 Tipos de corrosin 10
1.2 Corrosin en estructuras de concreto 13
1.2.1 Causas de deterioro del concreto 17
1.2.1.1 Ataque por Sulfatos 19
1.2.1.2 Efecto de los Sulfatos en el Concreto 19
1.2.2 Corrosin del Acero de refuerzo 20
1.2.2.1 Influencia de los cloruros 20
1.3 Acero estructural 231.3.1 Propiedades de los aceros estructurales 24
1.3.2 Tipos de aceros estructurales 25
1.3.3 Aceros inoxidables 26
1.3.4 Acero Galvanizado 28
1.3.5 Uso de barreras protectoras en el acero de refuerzo ACI
201.2R-01 32
1.3.6 Primarios 35
Captulo 2.Metodologa Experimental. 37
2.1 Diseo y proporcionamiento de la Mezcla de Concreto 37
2.1.1 Caractersticas fsicas de los materiales 38
2.1.2 Procedimiento para el diseo de las mezclas de concreto 60
2.1.3 Caractersticas y especificaciones de los especmenes de
estudio. 66
2.2 Caracterizacin del concreto en estado fresco 66
2.2.1 Determinacin del Revenimiento NormaNMX-C-156-1997- ONNCCE 67
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2.2.2 Determinacin de la Masa Volumtrica del concreto frescoNorma NMX-C-105-1987 68
2.2.3 Determinacin del contenido de aire NormaNMX-C-157-ONNCCE-2006 70
2.3 Elaboracin de los especmenes de prueba 712.3.1 Caractersticas del refuerzo 722.3.2 Colado de los especmenes 732.3.3 Etapa de curado y exposicin al medio marino 752.3.4 Nomenclatura de los especmenes 76
2.4 Tcnicas de electroqumicas de evaluacin de la corrosin enconcreto reforzado 77
2.4.1 Medicin de potenciales de corrosin (Ecorr). 782.4.2 Resistencia a la polarizacin lineal (Rp). 81
2.4.3 Celda electroqumica de experimentacin 84
Captulo 3. Resultados y Anlisis de Resultados. 85
3.1 Medicin de Potenciales de Corrosin norma ASTM C-876-91 853.1.1 Comportamiento de Ecorr en las varillas galvanizadas 853.1.2 Comportamiento de Ecorr en las varillas de acero 1018 863.1.3 Eficiencia varillas galvanizadas vs varillas acero 1018 87
3.2 Monitoreo de la cintica de corrosin (LPR) 873.2.1 Comportamiento de la icorr en las varillas galvanizadas 883.2.2 Comportamiento de la icorr en las varillas de acero 1018 893.2.3 Comparacin de la icorr varillas galvanizadas vs varillas
Acero 1018 90
Captulo 4. Conclusiones y recomendaciones 91
4.1 Conclusiones 914.2 Recomendaciones 91
BIBLIOGRAFIA 92
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Introduccin
A pesar de que el acero embebido en las estructuras de concreto como lo son puentes,muelles, edificios, se encuentra protegido de la agresividad del medio ambiente debido al
entorno altamente alcalino (pH=12.5) que provee la solucin del poro, formando este una
capa pasiva sobre la superficie del acero. Se sabe que esta capa pasiva puede ser destruida
como resultado de la prdida de alcalinidad en la solucin del poro que rodea al acero, y el
ingreso de iones despasivantes de los cuales los cloruros son los ms agresivos.
Muchas veces se piensa que el concreto, al ser una roca artificial, es un material que
asegura la durabilidad de las construcciones, su resistencia, y otras caractersticas ms
consideradas para que cumplan el tiempo de vida til para la cual fueron diseadas, pero la
realidad es otra dado que se ha demostrado que muchas veces esta proyeccin de vida no
cumple a veces ni el 50% de ella, de ah la importancia de analizar todos los elementos que
intervienen en los deterioros prematuros de dichas estructuras de los cuales la corrosin del
acero de refuerzo es uno de los principales.
Para este trabajo de investigacin se construyeron 4 especmenes de concreto a los
cuales se embebieron varillas de 3/8 normales y galvanizadas, y con diferentes porcentajes
de contaminacin con NaCl e inmersos en un medio marino artificial, estos se elaboraron
con la finalidad evaluar los Potenciales de Corrosin de acuerdo a la norma ASTM C-876-91
y la cintica de corrosin (LPR) de dichas varillas o acero de refuerzo, para con los
resultados evaluar la eficiencia del galvanizado en comparacin del acero normal o sin
ningn tipo de proteccin..
Se describir el procedimiento seguido para realizar la investigacin, las pruebas de
laboratorio para determinar las caractersticas fsicas de los agregados, el proporcionamiento
de las mezclas para la elaboracin de los especimenes y la forma de hacer el monitoreo dePotenciales y de la Cintica de Corrosin.
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Descripcin del problema
En la ciudad de Veracruz dado el medio marino se puede observar varias construcciones conproblemas de corrosin del acero de refuerzo, esto resulta ser un gran problema para las
edificaciones, tales como muelles, puentes, etc., lo que conlleva a gastos de mantenimiento
considerables, la propuesta del presente trabajo es evaluar materiales alternativos para
disminuir el efecto de la corrosin en el deterioro de dichas estructuras, para lo cual como se
mencion anteriormente se analizar el acero galvanizado en condiciones que simulan estar
expuesto a un medio marino y sin un buen control de calidad en la elaboracin del concreto,este acero galvanizado se propone utilizarlo como mtodo de prevencin y con ello
incrementar la vida til de las estructuras adems de disminuir los gastos por mantenimiento
prematuro que se presentan a menudo en las estructuras construidas en este tipo de
ambiente [1]
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Justificacin Del Tema
Como se indica en la literatura tan extensa de este tema los costos que genera el
mantenimiento de dichas estructuras daadas por corrosin es de miles de millones de
dlares cuantificados tan solo en E.U.A., pero que est presente en casi todas las regiones del
mundo en donde se edifique una estructura de concreto reforzado y se den condiciones que
den inicio a la corrosin del acero. Tan solo en Mxico se observa en cada ciudad que se
encuentre frente al mar un gran nmero de estructuras daadas que por el hecho de no
contar con registro de todas ellas no significa que cuenten en los millones de pesos que se
gastaran en repararlas. Es por todo lo anterior que el presente trabajo pretende contribuir ademostrar que existen opciones viables para mitigar los daos por la corrosin y con ello los
gastos generados por los mantenimientos prematuros en estructuras de concreto, para esto se
lleva acabo la evaluacin de la resistencia que ofrece barras de acero galvanizadas embebidas
en concreto expuesto a un medio marino y contaminado con NaCl en su elaboracin. [1]
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Capitulo I.El fenmeno de la corrosin del acero de refuerzo en estructuras de concreto
1.1
Principios de corrosin
Uno de los problemas constructivos ms graves que se presentan en las zonas marinas
es la corrosin del acero de refuerzo de las estructuras existentes, debido a que el ambiente
tiene una gran variedad de agentes agresivos, como los cloruros y sulfatos, siendo las
primeras los agentes mas agresivos que originan la dicho fenmeno. Para entender y
determinar la importancia de ste problema y el fenmeno de la corrosin es necesarioempezar por definirla, conocer los factores que influyen en su iniciacin y propagacin, y
saber cmo se puede diagnosticar y controlar. Adems de definir el trmino de corrosin y
su origen, es muy importante entender el proceso comn de oxidacin y reduccin en un
metal como es el acero de refuerzo as como la naturaleza de dicha corrosin, con los
conceptos de potencial electroqumico, pasivacin y diferenciar entre los diferentes tipos de
corrosin que afectan a la infraestructura de concreto reforzado como puentes, muelles,
pavimentos etc. [2]
1.1.1 Definicin de corrosin metlica
La corrosin es la destruccin o deterioro de un material por su reaccin con el medio
ambiente. Prcticamente todos los ambientes son corrosivos en algn grado, desde el rural y
el urbano hasta las zonas industriales o de grandes fbricas. La corrosin que predomina en
las zonas costeras es la corrosin electroqumica. [3]
1.1.2 Corrosin electroqumica
Aunque existen muchas maneras de clasificar a la corrosin, la que se usa con ms
frecuencia es la corrosin seca y corrosin hmeda. La corrosin seca ocurre en ausencia de
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algn lquido o sobre el punto de roco del ambiente. La corrosin hmeda ocurre cuando
hay algn lquido presente.
As, en temperaturas en las que el agua se mantiene en un estado lquido, el proceso
de corrosin que predomina es el electroqumico, es decir, el desgaste metlico ocurre por
disolucin andica. No importa cual sea el origen del agua, los mecanismos bsicos de la
corrosin son similares; el metal se disuelve primero como iones y los productos slidos se
forman mediante una reaccin subsecuente. Una reaccin electroqumica es una reaccin
qumica en la que hay transferencia de iones y electrones, el ion es el producto qumico que
resulta de la prdida o ganancia de electrones, por lo tanto la corrosin ocurre en un medio
acuoso es un fenmeno de carcter electroqumico.
Para que pueda ocurrir el proceso de corrosin electroqumica es necesario que se
forme una pila galvnica, tambin llamada de corrosin. Una pila de corrosin est formada
por cuatro elementos: el nodo (donde ocurre la reaccin de oxidacin), el ctodo (donde
ocurre la reduccin), un medio conductor que los ponga en contacto elctrico (electrolito), y
un conductor elctrico que cierra el circuito uniendo al ctodo y al nodo. En la siguiente
figura (1.1) se ilustran los componentes de una pila electroqumica, tambin conocida como
celda galvnica. [4]
Figura 1.1.- Pila Galvnica de corrosin o Pila electroqumica
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En el proceso de corrosin electroqumica pueden ocurrir dos tipos de reacciones:
andicas y catdicas.
1.1.3 Reacciones andicas y catdicas. Oxidacin y reduccin.
Se llama reaccin andica u oxidacin a aquella en la que el metal pierde electrones al
disociarse. Cuando entra en la solucin, los iones del metal fluyen a travs de ste o cualquier
otro material que sirva de conductor elctrico externo. Se llama reaccin catdica o
reduccin, cuando los iones de carga positiva que se mueven dentro de la solucin llegan al
metal y reciben electrones. En otras palabras, para que ocurran las reacciones andica y
catdica es necesario que exista un movimiento de electrones del nodo al ctodo por la
conexin elctrica. Este flujo de electrones es debido a un diferencial de potencial entre
ambos metales.
Figura 1.2.-Formacin del Fe (OH)2y del Fe (OH)3en el nodo.
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Figura 1.3.- Reduccin de los iones de H+para formar el gas hidrogeno y formacin de los iones OH - en el
Ctodo.
1.1.4 Potencial electroqumico
Para que ocurran todas las reacciones mencionadas anteriormente en la pila galvnica
debe hacer un movimiento de los electrones del nodo al ctodo por el hilo conductor. [5]
El diferencial de potencial es definido como el trabajo realizado por el desplazamientode los electrones. El potencial electroqumico de un metal es el potencial elctrico que este
obtiene al sumergirse en una solucin estndar que contenga sus propios iones a una
temperatura de 25 C y a una presin de 1 atmsfera. La corrosin electroqumica puede
ocurrir de diferentes maneras. [6]
1.1.5 Tipos de corrosin
Los tipos ms comunes de corrosin son:
Corrosin Uniforme.Esta es la forma ms comn de corrosin. Es caracterizada por
una reaccin qumica o electroqumica que sucede uniformemente en una gran parte
de la superficie expuesta; el metal comienza a diluirse y eventualmente se fractura.
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Figura 1.4.- Corrosin uniforme.
Corrosin Galvnica o Corrosin Bimetlica.Este tipo de corrosin sucede cuando
dos metales son conectados elctricamente o estn en contacto; el metal de menor
resistencia se vuelve andico y el de mayor resistencia se vuelve catdico; provocando
la corrosin del metal menos electronegativo.
Figura 1.5.- Corrosin Galvnica.
Corrosin Localizada.Algunas veces ocurre una intensiva corrosin localizada en las
grietas de superficies metlicas expuestas a la corrosin. Comnmente est asociada
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con pequeos volmenes de solucin estancada en la superficie del metal debido a
pequeos agujeros o grietas.
Figura 1.6.- Corrosin localizada
Corrosin por Picaduras. Una picadura es una forma de ataque extremadamente
localizado que tiene como resultado agujeros en el metal. Las picaduras pueden
describirse como hoyos donde su dimetro en la superficie es igual o menor que su
profundidad. Este tipo de corrosin es una de las ms comunes y destructivas, y es
muy difcil de detectar porque en muchas ocasiones los agujeros son tan pequeos,
que son cubiertos por otros productos de corrosin, evitando as su localizacin.
Figura 1.7.- Corrosin por picaduras
Corrosin Intergranular. Es una forma de ataque localizado en los bordes de los
granos (o cristales) que formal el metal, sin que exista corrosin en el resto de este.
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Ocurre cuando el borde del grano es andico con respecto al grano y se forma una
pequea rea andica contra una gran rea catdica (este efecto es similar a los de un
rea afectada por corrosin galvnica).
Corrosin por Erosin. Es la aceleracin o incremento en el ndice de deterioro o
ataque en un metal, provocado por el movimiento de un fluido en la superficie del
mismo. Generalmente es muy rpido, provocando un mecanismo de abrasin sobre el
metal.
Corrosin por Esfuerzo. Esta corrosin se refiere a las grietas causadas por la
presencia simultnea de esfuerzos de tensin y un medio corrosivo.[7]
Figura 1.8.- Corrosin por agrietamiento.
1.2 Corrosin en estructuras de concreto
Como se mencion en los prrafos anteriores se denomina con el trmino de corrosin
a la reaccin qumica o electroqumica entre un material (generalmente un metal) y su medio
ambiente, la cual produce un deterioro del metal y sus propiedades, causado por una
reaccin de xido-reduccin.
Cuando el cemento se mezcla con el agua, sus distintos componentes se hidratan
formando un conglomerado slido, constituido por las fases hidratadas del cemento (silicatos
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de calcio hidratados, SCH), una fase acuosa que proviene del exceso de agua de amasado y
aire. El mortero o concreto resulta en un slido compacto y denso, pero poroso. La red de
poros, anteriormente descrita, permite que el slido presente cierta permeabilidad a los
lquidos y los gases. Esta permeabilidad da paso a la entrada de sustancias agresivas,
dependiendo del medio en el que se encuentre la estructura. [8]
El Ca(OH)2 (hidrxido de calcio) es muy poco resistente desde el punto de vista
mecnico, es vulnerable a la presencia de sulfatos y otros agentes; pero resulta fundamental
en la proteccin de las armaduras frente a la corrosin debido al alto nivel alcalino que
aporta al cemento (aproximadamente un pH 12,5). [9]
La alcalinidad que presenta el cemento favorece un fenmeno llamado pasivacin
de la varilla, que es una proteccin o barrera de xidos que impide el contacto con el metal y
el medio. [10]
Esta barrera mantiene estable a la varilla por determinado tiempo retardando los
procesos de oxidacin. Sin embargo, sustancias o ambientes agresivos que provocan o
aceleran la corrosin de la varilla, destruyendo la capa pasivante del acero pueden estar
presentes en el ambiente, entre ellas estn: cloruros, sulfatos, sulfuros, entre otros. [11]
Figura 1.9.-Diagrama de Pourbaix Fe- H2O a 25 C
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Para entender mejor este proceso Pourbaix creo diagramas en los que presenta la
estabilidad termodinmica para diferentes sistemas, en la Figura 1.9 se presenta el sistema
Fe- H2O a 25 C [12]
Para que la corrosin del acero pueda iniciarse y mantenerse existen dos mecanismos:
Reduccin del pH por lixiviacin con agua o neutralizacin con CO 2 de sustancias
alcalinas presentes en el material cementante y la accin electroqumica por la presencia de
iones nocivos. La corrosin del acero se presenta por la falta de uniformidad en ste, por
contacto con metales menos activos o por heterogeneidades en el medio que lo rodea;
adems, deben estar presentes el oxgeno y la humedad para que se forme una celda
electroqumica. [13]
El acero se corroe por la reaccin andica, Rx. (1), que permite que ste se disuelva
como in ferroso. Para ello se debe presentar una reaccin catdica simultnea, Rx. (2), como
la reduccin del oxgeno, todo en presencia de humedad. [14]
eFeFe 422 2 Rxn andica (1)
OHeOHO 442 22 Rxn catdica (2)
En el nodo se presentan las reacciones (3) Y (4):
ClHOHFeOHClFe 2)(2 2212 (3)
3222
)(42)(4 OHFeOOHOHFe
(4)
Otros posibles productos de corrosin son: el OHOFeOFeOFe 2324332 ,, , 3FeCl
conocidos como herrumbre.
Cuando la estructura de concreto est en contacto frecuente con agua que contenga
iones cloruro, dada la porosidad del concreto, estos pueden llegar hasta las varillas de acero,
inicindose en ese momento la corrosin del acero. La herrumbre que se va formando como
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resultado del proceso de corrosin en el acero, por una parte disminuye la seccin original de
la varilla, y por otra, hace perder la adherencia inicial y deseada entre el acero y el concreto.
Los xidos de hierro formados (herrumbre) ocupan un volumen aproximadamente
cuatro veces mayor que el acero sin corroer. A medida que se va formando herrumbre por la
corrosin del acero, sta ejerce una gran presin sobre el concreto que lo rodea. Las fuerzas
son de tal magnitud dentro del concreto que provocan grietas que lo fragilizan perdiendo sus
buenas propiedades mecnicas. El proceso contina hasta que la herrumbre llega a aparecer
en la superficie del concreto y se pueden observar las estructuras con manchas de xido.
La presencia de herrumbre en una determinada estructura es por tanto evidencia de
que el proceso de corrosin de la varilla de acero de refuerzo est muy avanzado.
Otros factores que afectan o desencadenan la corrosin de la varilla de refuerzo, se clasifican
en 3 grupos [15]:
Tabla 1.1.- Factores que afectan la corrosin de la varilla de refuerzo.
Factores dependientes al Concreto: Dosificacin del concreto, permeabilidad,
porosidad, recubrimientos, tipos de cemento, contenido de aluminato triclcico en el
cemento C3A, relacin agua/cemento, pH de la solucin del poro, agregados,
aditivos y puesta en obra.
Factores dependientes al Varilla de Refuerzo:Condicin superficial del refuerzo,
solicitaciones mecnicas (tensin, compresin y torsin).
Factores dependientes al Medio de Servicio: Humedad relativa, temperatura,
degradacin biolgica, accin de diversas sustancias (Cl-, O2, SO4, SO2 y CO2),
proporcin de cloruros solubles.
Los tipos de corrosin que se presentan en una estructura de concreto reforzada con varillas
son los siguientes:
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1) Corrosin Localizada
a. Corrosin por picaduras
b. Corrosin en espacios confinados
c. Corrosin bajo tensin
d. Corrosin por corrientes de interferencia
2) Corrosin Generalizada
3) Corrosin Galvnica
De las cuales la que debemos considerar principalmente en este trabajo es la corrosin
localizada, especficamente la corrosin por picaduras. Estas se forman por la disolucin
localizada de la pelcula pasiva por el ingreso de los iones cloro al medio. Se forma una
celda de corrosin donde existe un {rea pasiva que acta como c{todo, el la que se reduce
el oxgeno y un rea donde se ha perdido la capa pasivante, que acta como nodo y all se
disuelve el acero.
1.2.1 Causas de deterioro del concreto
El tiempo que una estructura de concreto puede durar desempeando el servicio
requerido, depende de numerosos factores ver tabla 1.2.:
Tabla 1.2.Factores que afectan a una estructura de concreto.
Condiciones de exposicin y servicio,Diseo,
Construccin y
Mantenimiento de la estructura.
Al considerar las condiciones de exposicin y servicio, es pertinente hacer distincin
entre las ordinarias y las extraordinarias.
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Las primeras corresponden a las condiciones en que se realiza el trabajo cotidiano y
predecible de la estructura, en tanto que las segundas son consecuencia de eventos
extraordinarios, como por ejemplo los incendios, cuya magnitud y duracin son
impredecibles.
a) b)
Figura 1.10.-Fenmeno de corrosin en estructuras de concreto reforzado. a) Estructura intacta, b) Estructura
manchada y corroda.
El deterioro anticipado del concreto, operando en condiciones ordinarias, puede ser
propiciado por factores estructurales y no estructurales. A continuacin se muestra las
diversas acciones de carcter no estructural que suelen ocasionar el deterioro prematuro del
concreto, destacan estos por su frecuencia y por la importancia de sus efectos en la duracin
de las estructuras. [16]
I. Ataque por sulfatos
II. Corrosin del acero de refuerzo
III.
Congelacin y deshielo
IV. Lixiviacin de la cal
V. Reacciones lcali agregado
VI. Intemperismo y envejecimiento, y
VII.
Ataques de sustancias cidas.
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1.2.1.1 Ataque por Sulfatos
Los sulfatos forman parte de las sales inorgnicas que normalmente estn presentes
en el terreno y en las aguas freticas y superficiales, aunque su grado de concentracin puede
ser muy variable. La accin agresiva de los sulfatos externos sobre el concreto de cemento
Portland es consecuencia de dos reacciones qumicas: una con el hidrxido de calcio (Ca
(OH)2) que se libera durante la hidratacin del cemento, y la otra con los compuestos
hidratados que provienen del aluminato triclcico (C3A) del propio cemento. De la reaccin
de los sulfatos con el hidrxido de calcio resulta sulfato de calcio (yeso) y de la reaccin con
los hidratos de aluminato clcico se produce sulfoaluminato de calcio (etringita). En ambas
reacciones, el volumen slido de los productos resultantes (yeso, etringita) representa ms
del doble de la suma de los volmenes slidos de los compuestos originales que reaccionan.
De este modo, dicho aumento de volumen, que no puede acomodarse en el espacio original
de los poros del concreto, genera esfuerzos internos de tensin en ste, que primero lo
microfisuran y a continuacin lo desintegran gradualmente. [17]
1.2.1.2 Efecto de los Sulfatos en el Concreto
La presencia de sulfatos en un agua que est en contacto con una pasta endurecida de
cemento, puede incrementar considerablemente solubilidad de los componentes de dicha
pasta y causar, por una parte el desarrollo de la degradacin del concreto por lixiviacin. Por
otro lado, la presencia de sulfatos puede ocasionar una reaccin de cambio de base, en el
curso de la cual el catin del sulfato ser sustituido por Ca-2, originndose la degradacin del
concreto, por reaccin de cambio inico. En ciertas circunstancias puede ocurrir, sin
embargo, que la presencia de sulfatos d lugar a una degradacin por expansin debido a la
formacin de otros componentes estables en la masa endurecida del cemento como se
mencion en el apartado anterior. [18]
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1.2.2 Corrosin del Acero de refuerzo
La corrosin del acero en concreto es considerado uno de los problemas ms
importantes para el mantenimiento de la integridad de las obras civiles, como puentes,
tneles, carreteras, muelles, etc., de un pas. La preservacin de la infraestructura es de vital
importancia econmica y social, puesto que brinda servicio y seguridad para el desarrollo de
las sociedades.
El concreto confiere al acero una proteccin de doble naturaleza por un lado, es unabarrera fsica que lo asla del medio ambiente y por otro, el lquido encerrado en los poros del
concreto es un electrolito que lo pasiva de forma duradera.[19]
1.2.2.1 Influencia de los cloruros
Los cloruros, al igual que los sulfatos, son sales inorgnicas que abundan en la
naturaleza, y por ello suelen hallarse presentes en los componentes del concreto y en las
aguas y suelos que tienen contacto con las estructuras, e incluso en ciertos ambientes
atmosfricos. La influencia del in cloruro como agente impulsor de la corrosin del acero de
refuerzo, deriva de dos efectos principales:
La adicin cloruros a la solucin de poro del concreto que acta como electrlito, se
incrementa la conductividad de ste y se facilita el movimiento de los iones de
hidroxilo (OH)-entre el ctodo y el nodo.
Si la cantidad de cloruros alcanza un alto grado de concentracin, se producen
reacciones qumicas que originan puntos de deterioro en la pelcula de pasivacin, los
cuales al funcionar como nodos dan lugar a la formacin de celdas de corrosin
electroltica.
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La corrosin del acero de refuerzo en el concreto tiene dos principales consecuencias
que afectan la duracin de las estructuras:
1) Por efecto de la corrosin se reduce la seccin de la varilla de acero, merma su
adherencia con el concreto y se degradan sus propiedades mecnicas, con lo cual se demerita
su capacidad de trabajo estructural, y
2)Como resultado de la corrosin, se originan productos (herrumbre) cuyo volumen
es varias veces superior al de los elementos que les dan origen, y este aumento de volumen
trae como consecuencia tensiones internas que agrietan progresivamente el recubrimiento de
concreto e incluso lo desprenden totalmente en situaciones de corrosin avanzada.
El acero de refuerzo puede ser corrodo ocasionalmente por ataque qumico directo,
pero la mayora de los casos de corrosin ocurren por efecto de un proceso electroqumico
que involucra la existencia de una corriente elctrica. Aunque en ocasiones sta puede ser
inducida por corrientes elctricas parsitas, principalmente se debe a la generacin de celdas
electrolticas creadas por diferencias de potencial electroqumico a lo largo de las propias
varillas de acero.
Una celda de corrosin electroltica consiste en dos metales de diferente potencial
elctrico (designados como nodo y ctodo) conectados entre s por un conductor elctrico e
inmersos en una solucin (denominada electrolito) de composicin adecuada. En tales
condiciones, se crea un flujo de electrones del nodo al ctodo por conducto de la conexin
elctrica, que descompone qumicamente el electrolito y genera un movimiento de iones a
travs de ste, cuya manifestacin es la corrosin y desintegracin paulatina del nodo.
La corrosin que se presenta en el acero de refuerzo, no es necesario la presencia de
dos metales para formar la celda, pues el nodo y el ctodo son constituidos por zonas con
diferente potencial electroqumico sobre la misma varilla, el electrolito corresponde a la
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solucin acuosa de sales que de ordinario existen en los poros del concreto, y el conductor
elctrico lo constituye la propia varilla de acero, ver figura (1.11)
Figura 1.11.- Celda de corrosin en el sistema acero-concreto.
Las varillas de acero embebidas en el concreto, suelen recibir de ste una adecuada
proteccin contra la corrosin [20]:
1.
Para que inicie la corrosin es indispensable la presencia del electrolito, esto es, quelos poros del concreto exista humedad, y que adems exista oxgeno para que se
produzca las reacciones qumicas inherentes al proceso electroltico. La sola falta de
uno de estos dos participantes (agua y oxgeno) es suficiente para inhibir la corrosin;
de este modo, el acero de refuerzo no se corroe sensiblemente si el concreto que lo
circunda permanece seco, ni tampoco si el concreto se halla continuamente inmerso en
agua, porque en este caso no hay suministro de oxgeno.
2. El cemento portland al hidratarse libera hidrxido de calcio, y esto, aunado a la
presencia de otras sales alcalinas, le confiere al concreto un alto nivel de basicidad (pH
cercano a 13). En un medio as, los primeros productos de la corrosin electroltica
estn constituidos por una forma de xido frrico que origina una delgada pelcula de
recubrimiento sobre las varillas de acero y las protege de corrosin ulterior. A dichofenmeno se le conoce como pasivacin del acero de refuerzo, y se dice que esta
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pelcula protectora slo subsiste mientras el concreto conserve un pH mayor de 11.5,
es decir si por cualquier motivo se reduce el grado de alcalinidad del concreto por
debajo de este valor, la pelcula de pasivacin se deteriora y pierde su capacidad de
proteccin contra la corrosin.
1.3 Acero estructural
El acero es una aleacin del hierro. La produccin del acero a partir de su mena es un
proceso de reduccin qumica que da como resultado un hierro crudo que contiene muchas
impurezas indeseables. El acero contiene alrededor de 98% de hierro y el resto son adiciones
de elementos necesarios para darles rigidez y resistencia (silicio, fsforo, manganeso y
azufre, entre otros).
La mayora de los aceros de refuerzo son en forma de varilla o de alambre. Sus
superficies pueden ser lisas o corrugadas. Este ultimo es de empleo ms general, porque
produce mejor adherencia con el concreto debido a las rugosidades y salientes de la varilla.Los dimetros de las varillas son de a 2 de pulgada. Los tamaos se designan
tradicionalmente a travs de nmeros mltiplos de 1/8 que corresponden a sus di{metros
nominales [21]
Figura 1.12.- Acero Estructural.
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1.3.1 Propiedades de los aceros estructurales
El trmino aceros estructurales incluye un gran nmero de aceros que debido a su
economa, resistencia, ductilidad y otras propiedades son apropiadas para miembros que se
cargan en una amplia variedad de estructuras. Resultado de la aplicacin de una de las
propiedades al acero en la figura 1.
Limite de fluencia o cedencia (Fy).- Es el esfuerzo unitario, 1000 lb/pulg2, al cual la
curva esfuerzodeformacin unitaria exhibe un aumento bien definido en deformacin sin
aumento en el esfuerzo.
Resistencia a la tensin o ltima resistencia (UTS).- Es el esfuerzo unitario mximo
que puede alcanzar en un ensayo a la tensin.
Modulo de elasticidad (E).- Es la pendiente de la curva esfuerzodeformacin
unitaria. Se calcula dividiendo el esfuerzo unitario, 1000 lb/pulg2, entre la deformacin
unitaria, pulg por pulg, al esfuerzo limite de fluencia.
Ductilidad.- Es la capacidad del material para ser sometida a deformaciones
inelsticas sin ruptura.
Soldabilidad.- Es la capacidad del acero para soldarse sin cambiar sus propiedades
mecnicas bsicas. La soldabilidad decrece con el aumento del carbono y el manganeso.
Resistencia al Impacto.- Es el ndice de propensin a las fallas de rotura y se mide por
la energa de impacto necesaria para fracturar un espcimen ranurado.
Dureza.- Refleja la capacidad de un espcimen liso de absorber energa, como se ha
caracterizado por el rea bajo la curva esfuerzodeformacin.
Resistencia a la corrosin.- No tiene ndice especfico. Sin embargo, los ndices
nominales relativos de resistencia a la corrosin se basan en las pendientes de las curvas de
prdida por corrosin (reduccin del espesor) contra el tiempo. [22]
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1.3.2 Tipos de aceros estructurales
Estos aceros pueden agruparse en cinco categoras generales, segn la composicin
qumica y tratamiento trmico. Estos son:
Aceros al carbono.- Los grados ms antiguos de estos aceros fueron lo ms utilizados
en la industria de la construccin durante muchos aos y los nuevos aceros al carbono,
mejorados, constituyen aun la mayor parte del tonelaje industrial. Ms de 90% todos los
aceros. Contienen cantidades variantes de carbono y no ms de 1.65 % de manganeso, 0.60 %
silicio, y 0.60 % cobre.
Acero de baja aleacin y alta resistencia.- Tiene un punto de fluencia mnimo
especificado de alrededor de 40 lb/pulg2 en condiciones de rolado en caliente y obtiene su
resistencia por la adicin de aleaciones pequeas mas que mediante el tratamiento de calor.
Tienen un costo menor que los aceros de aleacin regulares porque contienen cantidades
pequeas de elementos aleados caros. Sin embargo, a pesar de haber tenido un proceso
especial, tienen mucho ms resistencia que el acero al carbono del mismo peso.
Aceros de alta resistencia y al carbono tratado con calor, de baja aleacin.- Este
grupo comprende los aceros al carbono y los de alta resistencia, tienen baja aleacin y son
tratados con calor para obtener mejores propiedades mecnicas.
Aceros de aleacin construccional, tratados con calor.- Son aceros tratados
trmicamente con contenidos de elementos de aleacin y son apropiados para aplicaciones
estructurales. [23]
Aceros inoxidables.- Sern descritos en forma general en el siguiente apartado.
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1.3.3 Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables son una clase importante de aleacin que son extensamente
usados en la industria. Es un acero anticorrosivo, antioxidante y fue investigado durante
muchos aos. El descubrimiento del acero inoxidable fue durante el periodo de 1910 a
1915, pero haba sido precedido por ms de un siglo por el esfuerzo acumulado de muchos
hombres [24].
En 1790, Vauguelin descubri que el cromo es reducido de la mena. El cromo fue
adicionado experimentalmente a los aceros durante los aos 1800s, pero por alguna
peculiaridad del destino, muy poco fue adicionado para hacer aceros que resistan la
corrosin. De hecho, en 1892, Hadfield concluyo que el cromo disminuye la resistencia del
acero a la corrosin. Su contenido de aleacin contena un mximo de 9% de cromo, el cual es
precisamente la mnima cantidad requerida para la resistencia a la corrosin. [25]
Figura 1.13.- Varilla deAcero Inoxidable.
Las primeras investigaciones y desarrollos en aceros inoxidables fueron hechos en
Inglaterra y Alemania hacia el ao de 1910. El acero inoxidable (420, endurecible,
martenstico, aleacin Fe-Cr-C), fue inventado por el ingls Harry Brearley, la fecha de
registro es junio 4 de 1912. La primera colada comercial de este acero fue hecha en Sheffield,
Inglaterra; en agosto 20 de 1913 [26], y el 3 de marzo de 1990, fue el 75 aniversario del primerlingote de acero inoxidable colado en Amrica; El lugar fue Pittsburgh, Pennsylvania. La
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produccin comercial de estos aceros en el continente americano se inici en los Estados
Unidos a principios de los aos 20`s, cuando las compaas Armco, Carpenter, Republic y
U.S. Steel fabricaron las pequeas cantidades que demandaban los primeros consumidores.
Aunque las producciones iniciales fueron modestas, del orden de las 500 toneladas
anuales mundiales, la demanda de aceros inoxidables se increment rpidamente a partir de
1930. Tan solo en los Estados Unidos, para el ao de 1980, se fabricaron ms de dos millones
de toneladas. Otros pases en produccin fueron Gran Bretaa, Japn, Francia, ex-Alemania
Occidental, Suecia, Italia y la ex-Unin Sovitica. Sin embargo, aunque la produccin de
estos aceros siempre ha ido en aumento, nunca ha representado ms del 2% de la produccin
total de la industria siderrgica. [27]
As mismo, la produccin de aceros inoxidables se ha visto frenada de tiempo en
tiempo por problemas en el suministro de las materias primas necesarias para su fabricacin.
Uno de los ms serios fue el desaprovisionamiento de nquel como consecuencia de la
Segunda Guerra Mundial. Los investigadores de esa poca indicaron que el nquel podra
ser sustituido en parte por el manganeso y el nitrgeno, con lo que se dio nacimiento a una
serie especial de inoxidables (AISI 200) que se sigue usando actualmente. De la misma fecha
data tambin el desarrollo de los aceros inoxidables endurecidos por precipitacin, los cuales
respondieron a la necesidad de crear un acero ms barato, con menos nquel, que cumpliera
conjunta y satisfactoriamente con las exigencias de las resistencias al calor y a la corrosin.
Los sectores industriales consumidores de aceros inoxidables en Mxico, se pueden
considerar como mercados de especificacin, es decir, son usuarios que debido a las
caractersticas intrnsecas del material deben utilizarlo por especificacin o imitacin. As
por ejemplo, el sector que presenta mayor consumo es la fabricacin de equipos para
procesos y servicios de alimentos, en donde las caractersticas del material lo hacen
insustituible; sin embargo, a partir de 1991 con la necesidad de integrar un convertidor
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cataltico que redujera la emisin de contaminantes en los automviles, el consumo de acero
inoxidable present un incremento significativo en esta aplicacin, ubicndose hoy da como
el segundo mercado en importancia para la industria del acero inoxidable. [28]
El grado de desarrollo alcanzado actualmente por la tecnologa de fusin ha hecho
posible producir aceros inoxidables de muy alta calidad, en donde los contenidos de carbono
se pueden controlar por debajo del 0.01%, al mismo tiempo que se logra una sobresaliente
limpieza de inclusiones no metlicas. Por esta razn, la aplicacin de estos aceros se ha
incrementado considerablemente, pudindoseles encontrar en utensilios de cocina,
decoracin arquitectnica, equipamiento de plantas qumicas, petroqumicas, petroleras,
nucleares, textiles, farmacuticas, de alimentos y del transporte.
En todas estas aplicaciones, los aceros estn expuestos a atmsferas corrosivas y, en
muchos casos, sus condiciones de trabajo implican situaciones criognicas o de alta
temperatura, pues para ambos servicios los aceros inoxidables presentan un
comportamiento muy satisfactorio. De aqu, que en la actualidad los aceros inoxidables, son
los materiales ms integrados a la tecnologa moderna, por su alta resistencia a la corrosin y
sus excelentes propiedades mecnicas.
Figura 1.14.- Acero Inoxidable en Puentes.
1.3.4 Acero Galvanizado
El galvanizado en caliente es un recubrimiento econmico, es mas duro que el propio
acero (20% ms), tiene adherencia metalrgica (mayor que la de otros recubrimientos) por loque no debilita la unin acero-cemento y es capaz de proteger pequeas zonas desnudas del
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acero (proteccin galvnica o catdica). Adicionalmente, la capa de zinc del galvanizado
tiene a autopasivarse al reaccionar con el cemento mediante la formacin de hidroxicincatos
de calcio. Como resultado de lo anterior, una construccin hecha con acero galvanizado es
mucho ms confiable y tolerante con los errores humanos en la construccin como: mala
formulacin del concreto, exceso de agua en la mezcla agua/cemento, compactacin
deficiente, posicionado incorrecto de armaduras, recubrimientos muy delgados, alambres
salientes etc. [29]
Figura 1.15.- VarillaAcero Galvanizado
El zinc facilita:
Proteccin por barrera al refuerzo
Proteccin por sacrificio al acero expuesto
Mayor tolerancia a los cloruros
Resistencia a la reduccin del pH del concreto
Espesor del recubrimiento
Agresividad del ambiente [30]
Cuidados y especificaciones para acero galvanizado:A los cuidados normales que se
han de tener construyendo con acero negro, el acero galvanizado obliga a aadir los
siguientes:
a) Con respecto al concreto:Hacer el concreto con cementos de baja alcalinidad, como
los puzolnicos, ya que un pH demasiado alto ataca el zinc. Para alcanzar la mxima
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adherencia y duracin posibles es recomendable que el cemento contenga cromatos
por lo menos al 0.002%. Respetar escrupulosamente los tiempos de fraguado antes de
quitar la cimbra, ya que el proceso de adhesin concreto-acero galvanizado es algo
ms lento que con el acero negro. Procurar trabajar con baja regulacin agua/cemento
a fin de reducir la porosidad.
b) Con respecto a la varilla: Para hacer las armaduras, complementar la varilla
galvanizada con alambrn y alambre de amarre galvanizado en la lnea continua, es
decir, galvanizados por el fabricante de dichos materiales, ya que stos se podrn
doblar sin desprendimiento de capa de zinc. Si se usa varilla previamente
galvanizada, hacer los dobles con amplios radios se curvatura para evitar
desprendimiento de la capa en el doblez. Estos radios, segn dimetro y tipo de
varilla, deben ser:
Tabla 1.3.- Dimetros de curvatura de la varilla
Dimetro de la varilla (d)Dimetros de la curvatura
Varilla R-42 Varilla R-60
Hasta 20mm (1) 8d 8d
c) Con respecto a peladuras y cortes:Cuando la capa de zinc del galvanizado se dae
por arrastre, corte o doblez del acero de refuerzo (varilla, malla, alambrn, alambre)
limpiar de xido y suciedad la parte daada hasta que el acero brille y aplicar sobre el,
y tambin sobre unos 3 cms a su alrededor, una capa gruesa de GALVANIZADO EN
FRO (compuesto orgnico con 95% de zinc en polvo, como el ZRC). As el
galvanizado en fro repondr la capa protectora donde se perdi y reforzar la
circundante.
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d) Con respecto a soldaduras: La varilla galvanizada se puede soldar sin mayor
dificultad siguiendo los mismos procedimientos que con el acero negro, aunque
ciertamente el soldado provocar la perdida de la capa de zinc, tanto en la zona
soldada como e la circunvecina que se haya sobrecalentado. Por ello, terminada la
soldadura, es necesario eliminar las escorias residuales y limpiar y hacer brillar el
acero de las partes que hayan quedado desnudas, para a continuacin aplicar sobre
ellas y sobre 3 cms. a su alrededor, una gruesa capa de GALVANIZADO EN FRO, tal
y como debe hacerse tambin sobre cortes y otras partes daadas que presenten acero
expuesto. [31]
Etapa de proteccin: el recubrimiento se disuelve lentamente formando productos de
corrosin del zinc
Son menos voluminosos que la herrumbre del acero y no perturba al concreto.
Migran desde la interfase del refuerzo hacia la masa del concreto sellado poros y
grietas
Se extiende considerablemente la vida til del concreto reforzado de 4 a doce veces.
[32]
Economa en el uso de acero de refuerzo galvanizado: Aunque el acero de refuerzo
galvanizado puede exceder en costo al hacer negro en 50% o ms, su impacto en el costo total
de una obra suele ser muy bajo. Entre el 0.5 y el 1.5%.
La experiencia adquirida a travs de muchos aos de utilizacin e investigacin del acero de
refuerzo galvanizado en diversos pases, ha confirmado plenamente la capacidad del
galvanizado para reducir los riesgos de corrosin de las armaduras y, en consecuencia,
tambin del deterioro de las estructuras de concreto. Por ello, si se analizan con cuidado estos
riesgos, sus efectos destructivos sobre los inmuebles y lo costoso e inseguro de las
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reparaciones, se comprobar que en un nmero elevado de casos y sobretodo en zonas
martimas, es ms que rentable y conveniente usar acero de refuerzo galvanizado.[33]
1.3.5 Uso de barreras protectoras en el acero de refuerzo ACI 201.2R-01
Las barreras protectoras se utilizan para proteger al concreto contra la degradacin
que provocan los productos qumicos y la consiguiente prdida de integridad estructural,para evitar que el concreto se manche, o para evitar que un lquido sea contaminado por el
concreto.
Una barrera protectora consiste no slo en el material de la barrera propiamente dicha,
sino tambin en la superficie que ha de proteger, la estructura del concreto y la fundacin. La
calidad del concreto, especialmente en la superficie y cerca de la misma, afectar el
Figura 1.16.- Puente Xalapa
Veracruz, Ver.
Figura 1.17.- Acuario de VeracruzVeracruz, Ver.
Figura 1.18.-Silos CementeraApasco Veracruz, Ver.
Figura 1.19.-Puente Olmeca deAgua Dulce Veracruz, Ver.
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comportamiento del sistema ya que afecta la capacidad del material de la barrera para
comportarse de la forma anticipada.
Elementos de las barreras protectoras
Para lograr una proteccin efectiva del concreto, el material utilizado para construir la
barrera debera tener las siguientes propiedades bsicas:
Si el material de la barrera est expuesto a productos qumicos provenientes de
fuentes externas, estos productos qumicos no deberan provocar el hinchamiento,disolucin, fisuracin ni fragilizacin del material de la barrera; adems, los productos
qumicos no se deberan filtrar ni difundir a travs de la barrera ni destruir la
adherencia entre la barrera y el concreto;
La resistencia a la abrasin debera ser adecuada para evitar que el material de la
barrera sea eliminado bajo condiciones normales de servicio; y
La resistencia de la unin adherente entre una barrera no bituminosa y el concreto
debera ser como mnimo igual a la resistencia a la traccin del concreto en la
superficie; esta unin es afectada por el grado de limpieza de la superficie en el
momento de aplicar el material de la barrera interior.
Gua para seleccionar una barrera protectora
Elegir una barrera protectora que logre un comportamiento ptimo al menor costo posible
(considerando el costo por ao) es bastante difcil ya que existe una gran variedad de
sistemas. El proceso de seleccin los sistemas de barreras protectoras se dividen en tres
categoras generales de acuerdo con la severidad del ambiente qumico que soportarn en
servicio: moderado, intermedio y severo. Ver Tabla 1.4. Para seleccionar una barrera que
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proteja al concreto contra un agente qumico especfico es necesario considerar diferentes
factores.
En primer lugar, el material de la barrera debera ser resistente al deterioro o la
degradacin por parte de los agentes qumicos a los cuales estar expuesto a la
temperatura de servicio.
En segundo lugar, el material debera evitar que los agentes qumicos se difundan o
infiltren a travs de la barrera; este fenmeno afecta la adherencia entre el material de
la barrera y la superficie del concreto, especialmente si el material que se difunde o
infiltra es cido. La resistencia qumica y la resistencia a la infiltracin son dos
propiedades diferentes.
En tercer lugar, la temperatura de los agentes qumicos en contacto con el material de
la barrera afecta el comportamiento de la barrera. Cada material tiene su propia
temperatura de servicio mxima. El choque trmico provocado por los cambios
rpidos de temperatura puede fisurar algunos materiales o provocar la prdida de
adherencia entre la barrera y el concreto.
Tabla 1.4. Barreras protectoras Categoras generales (de acuerdo con ACI 515.1R)
Severidad delambientequmico
Espesornominal
total
Barreras protectoras
tpicas
Usos tpicos pero noexcluyentes de los sistemas
protectores en orden deseveridad
ModeradoMenos de 40 mil
(1 mm)
Polivinil butiral,poliuretano, epoxi,acrlico, asfalto decopolmero acrlico-estireno, alquitrnde carbn, goma clorada,vinilo, neopreno, epoxide alquitrn de carbn,
uretano de alquitrn decarbn
Proteccin contra salesanticongelantes Mejorar la resistencia a losciclos de congelamiento ydeshielo Evitar que el hormign semanche Aplicacin en servicios de
agua de alta pureza Proteger el hormign en
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contacto con solucionesqumicas con pH tan bajoscomo 4, dependiendo delagente qumico presente
Intermedio125 a 375 mil
(3 a 9 mm)
Epoxi con filler de arena,polister con filler dearena, poliuretano confiller de arena, materialesBituminosos
Proteger al hormign contrala abrasin y la exposicinintermitente a cidos diluidosen plantas qumicas, tambos yestablecimientos procesadoresde alimentos
Severo20 a 250 mil(1/2 a 6 mm)
Epoxi reforzado convidrio, polister reforzadocon vidrio, lminas deneopreno, lminas decloruro de poliviniloplastificado
Proteger tanques y pisos dehormign continuamenteexpuestos a materialesdiluidos
(pH menor que 3), cidosorgnicos, soluciones salinas,lcalis fuertes
Severo
20 a 280 mil(1/2 a 7mm)
Ms de 250 mil
(6 mm)
Sistemas compuestos:(a) Sistema de epoxi confiller de arena consobrecapa de epoxipigmentado pero sin filler(b) Membrana asflticacubierta por ladrillos a
prueba de cidosutilizando morteroresistente a los agentesqumicos
Proteger tanques y pisos dehormign continua ointermitentementesumergidos, expuestos al agua,cidos diluidos, lcalis fuertesy soluciones salinas Proteger el hormign contracidos concentrados ocombinaciones de cidos ysolventes
En la tabla 1.4 se puede observar que el ACI 201.2R-01, no considera al galvanizado
como una barrera protectora. [34]
1.3.6 Primarios
Los primarios tambin llamados primer, son uno de los componentes m{s importantes en
un sistema de recubrimientos utilizados para proteger al acero de refuerzo contra la
corrosin. Los primarios no son pinturas. Las pinturas consisten bsicamente en una capa
polimrica orgnica, conocida como aglomerador que contiene un relleno disperso a lo largo
de todo su espesor llamado pigmento. La mayora de los aglomerantes se disuelven en un
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solvente que evita el proceso de polimeracin cuando la pintura est almacenada y facilita su
aplicacin. El solvente se evapora cuando la pintura se seca. Las pinturas son poco tiles para
proteger estructuras enterradas ya que sufren severos daos mecnicos al contacto con el
suelo.
Los primarios pueden proteger al acero de cualquiera de las siguientes formas:
Produciendo un efecto barrera (primarios tipo barrera), al formar una capa
impermeable que impida el paso de agua, oxgeno o algn tipo de agente corrosivo a
la superficie de la barrera.
Produciendo un efecto de inhibicin (primarios inhibidores), mediante inhibidores
qumicos que contienen pigmentos anticorrosivos. Si estos se aplican en una
reparacin reducen la velocidad de corrosin del sustrato.
Produciendo una proteccin catdica (primarios ricos en zinc), cuando el zinc del
primario se sacrifica en lugar del acero por ser mas electronegativo, por lo que se
disuelve antes que el acero de refuerzo.
Actuando como repasivante al realcalinizar la superficie de la barra para producir la
formacin de xidos protectores; esto se logra utilizando un material alcalino, como
por ejemplo una lechada de cemento. Cuando se realcaliniza el acero se mantiene a la
barra en un estado pasivo. [35]
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CAPITULO 2.
Metodologa Experimental
2.1 Diseo y proporcionamiento de la Mezcla de Concreto
El proceso de determinacin de las caractersticas requeridas del concreto y que se
pueden especificar se llama diseo de mezcla. Las caractersticas pueden incluir:
Propiedades del concreto fresco,
Propiedades mecnicas del concreto endurecido,
La inclusin, exclusin o lmites de ingredientes especficos.
El diseo de la mezcla lleva al desarrollo de la especificacin del concreto que cumpla
con las especificaciones requeridas para el determinado proyecto.
El proporcionamiento (dosificacin) de la mezcla se refiere al proceso de
determinacin de las cantidades de los ingredientes del concreto, usando materiales locales,
para que se logren las caractersticas especificadas. Un concreto adecuadamente
proporcionado debe presentar las siguientes cualidades:
Trabajabilidad aceptable del concreto fresco
Durabilidad, resistencia y apariencia uniforme del concreto endurecido
Economa
Es importante el entendimiento de los principios bsicos del diseo de mezclas, tales
como los clculos usados para establecer las proporciones de la mezcla. Las cualidades
citadas arriba se pueden alcanzar en las construcciones en concreto slo con la seleccin
adecuada de los materiales y de las caractersticas de la mezcla. Los procedimientos toman en
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consideracin los requisitos de facilidad de colocacin, consistencia, resistencia y
durabilidad. [36]
Se describen, dos mtodos para seleccionar y ajustar dosificaciones para concreto de
peso normal, ambos con o sin aditivos qumicos, materiales puzolnicos o de escorias. Uno
de ellos se basa en un peso estimado del concreto por volumen unitario; el otro, en el calculo
del volumen absoluto ocupado por los componentes del concreto.
Los mtodos mencionados proporcionan una primera aproximacin de las
dosificaciones que se deben verificar mediante mezcla de prueba en el laboratorio o en el
campo y hacerles los ajustes necesarios para obtener las caractersticas deseadas en el
concreto. [37]
Para determinar las proporciones de la mezcla, se seleccionan sus caractersticas
considerando el uso que se propone dar al concreto, las condiciones de exposicin, tamao y
forma de los elementos y las propiedades fsicas del concreto (tales como resistencia a la
congelacin y resistencia mecnica) requeridas para la estructura. Las caractersticas deben
reflejar las necesidades de la estructura.
Lo ms conveniente es hacer la dosificacin por peso y no por volumen debido a la
falta de precisin al medir el volumen de los agregados. El empleo de un sistema de
dosificacin por peso suministra una mayor exactitud y simplicidad, adems evita el
problema creado por el abundamiento de las arenas hmedas.
2.1.1 Caractersticas fsicas de los materiales
Para el diseo de una mezcla de concreto y de acuerdo al mtodo del ACI 211.1, la
primera etapa es llevar a cabo una caracterizacin de las propiedades fsicas de los agregados
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(finos y gruesos) a utilizar, ya que ocupan comnmente de 60% a 75% del volumen del
concreto (70% a 85% en peso), e influyen considerablemente en las propiedades del concreto
recin mezclado y endurecido, en las proporciones de la mezcla, y en la economa. Al
examinar la aptitud fsica de los agregados en general, es conveniente diferenciar las
caractersticas que son inherentes a la calidad esencial de las partculas constitutivas de los
aspectos externos que corresponden a sus fragmentos.
Dichas caractersticas fsicas se utilizan en este mtodo para llegar a la dosificacin
(cantidad de materiales a utilizar) ideal para obtener un concreto de acuerdo a los
requerimientos especficos solicitados.
Entre las caractersticas fsicas que contribuyen a definir la calidad intrnseca de los
agregados, destacan su peso especifico, sanidad, porosidad y absorcin, resistencia mecnica,
resistencia a la abrasin, mdulo de elasticidad, granulometra, Masa especifica saturada y
superficialmente seca (Messs) gr/cm3, Masa volumtrica Suelta (Mvs) kg/m3, Masa
volumtrica Varillada (Mvv) kg/m3, Absorcin (A) %, Modulo de Finura para los agregados
finos, aunque los agregados se consideran inertes se ha visto que esto no es as y pueden
reaccionar con los componentes del cemento, esto tiene que ver con las caractersticas
qumicas de los minerales que conforman las partculas de los agregados. [38]
Se realizaron las pruebas de laboratorio conforme al manual de prcticas de
laboratorio de materiales de construccin para determinar las caractersticas de los agregados
con el fin de hacer la dosificacin de la mezcla acorde a los materiales que se tenan
disponibles para llevar a cabo la investigacin.
Granulometra de la arena y gravas. NMX C 077 1997 ONNCCE[39][31].
Se conoce como anlisis granulomtrico a la accin de pasar al agregado fino o grueso
por medio de unas mallas (tambin conocidas como cribas) y pesar la cantidad de partculas
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de agregado que quedan retenidas en cada una de las mallas y sacando el porcentaje retenido
en cada una de estas con respecto de la muestra original. [40] [23]. Para esta prueba suele
utilizarse el material y equipo siguiente:
Juego de mallas (comnmente se utilizan: 3, 2, 1, , , 3/8, No.4, No.10, No.20,
No.40, No.60, No.100, No.200 y la charola).
Cucharn
Balanza con aproximacin a 0.1gr.
Charolas rectangulares de 40x60 cm.
Esptula y vidrio de reloj
Partidor de muestras o cuarteador
Malla No.200, para el lavado del suelo que paso la malla No.4
Alambrn de 5 mm de dimetro, con punta redondeada.
Horno o estufa
Charolas de aluminio
Vaso de aluminio
Agua
Suelo en estudio
El procedimiento de esta prueba es del material para secarlo y cuartearlo, se obtiene
una muestra representativa, la cual es pesada y se anotan el peso en el registro
correspondiente. Se arman las cribas de mayor a menor tamao, hasta terminar en la charola,
se vaca el material sobre el juego de cribas, se agitan las charolas un tiempo suficiente para
obtener un cribado correcto que cumpla con los parmetros establecidos, como se hizo el
cribado manualmente se considero que ya estaba bien cribado despus de que no pasaba en
un minuto mas del 1% del retenido.
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Figura 2.1.- Armado de las cribas.
La granulometra ms conveniente para el agregado fino, depende del tipo de trabajo,
de la riqueza de la mezcla, y del tamao mximo del agregado grueso.
Tabla 2.1 Porcentajes ideales de granulometra del agregado fino.
Tamao de la malla Porcentaje que pasa en peso
9.52mm (3/8) 1004.75mm (no.4) 95 a 1002.36mm (no.8) 80 a 1001.18mm (no.16) 50 a 850.60mm (no.30) 25 a 600.30mm (no.50) 10 a 300.15 (no.100) 2 a 10
En mezclas ms pobres, o cuando se emplean agregados gruesos de tamao pequeo,la granulometra que ms se aproxime al porcentaje mximo que pasa por cada criba resulta
lo mejor para lograr trabajarla idealmente
Modulo de finura de la arena. [41][31]
El mdulo de finura (MF) es un indicador que nos describe de una forma rpida ybreve la porcin de partculas finas contenidas en los agregados. El mdulo de finura (MF)
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del agregado grueso o del agregado fino se obtiene, conforme a la norma NMX C 077
1997 ONNCCE, sumando los porcentajes acumulados en peso de los agregados retenidos
en una serie especificada de mallas y dividiendo la suma entre 100.
Las mallas que se emplean para determinar el mdulo de finura son la de 0.15 mm
(No.100), 0.30 mm (No.50), 0.60 mm (No.30), 1.18 mm (No.16), 2.36 mm (No.8), 4.75mm
(No.4), 9.52 mm (3/8), 19.05 mm (3/4), 38.10 mm (1), 76.20 mm (3), y 152.40 mm (6). El
mdulo de finura es un indicador del grado de partculas finas del agregado, entre mayor sea
el mdulo de finura, ms grueso ser el agregado. Diferentes granulometras de agregados
pueden tener igual mdulo de finura. El mdulo de finura del agregado fino es til para
estimar las proporciones de los agregados finos y gruesos en las dosificaciones de concreto.
Una vez que se tenga una granulometra adecuada (debido a que se recomienda que
en lo posible los agregados tengan distintos tamaos de partculas para una buena
interaccin con la pasta de cemento Prtland) y el modulo de finura, se puede proceder a
hacer las distintas pruebas a los agregados.
Masa especfica y absorcin del agregado grueso NMX C 164 ONNCCE 2002
[42][32].
La masa especfica del agregado grueso se define como la relacin del peso del
agregado grueso respecto al peso de un volumen absoluto igual de agua (agua desplazada
por inmersin) [21. norma 164 onncce] Este mtodo de prueba se refiere a la determinacin de
la relacin entre el peso de la grava con respecto de un volumen igual de agua. Este mtodo
es aplicable a la grava que cumpla con los requisitos mencionados anteriormente y que se
utilice para la elaboracin de concreto y tiene como objetivo determinar la densidad relativa
de la grava para elaborar concreto empleando el Principio de Arqumedes como para lo cual
se utiliza el material y equipo siguiente:
Charola.- La charola deber ser metlica y con una capacidad de por lo menos 5000gr.
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Grava.- Muestra de grava de 5kg. deber haber sido tomada como se mencion
anteriormente; para picnmetros de 20cm. la muestra ser de 8 kg.
Balanza.- Balanza calibrada con aproximacin al 0.1 gr. Y capacidad de por lo menos 5kg.
Picnmetro tipo sifn.
Probeta graduada.
Agua.- El agua deber estar libre de impurezas y ser potable.
Para llevarla a cabo se sigue el siguiente procedimiento:
1) Coloque la muestra en la charola y satrela de agua por 24hrs.
2) Enseguida retire el agua y seque las gravas superficialmente con una franela ligeramente
hmeda, para que estn en condicin de saturadas y superficialmente secas.
3)
Posteriormente pese con la balanza una cantidad de material cercana a los 5000 grs.,
obtenindose de esta forma el peso saturado y superficialmente seco de gravas (Wssg).
4) Proceda a determinar el volumen desalojado de agua (Vdes.); para esto llene el picnmetro
tipo sifn de agua y deje que esta fluya hasta que deje de gotear.
5) ponga la probeta en la boquilla del sifn y sin que haya prdida de material, deposite las
gravas, evitando la perdida de agua fuera del sifn.
6) Determine el volumen de agua que desaloj el sifn y que fue depositada en la probeta.
Clculos matemticos:
Sustituya los valores obtenidos en las frmulas siguientes y se obtiene la densidad relativa de la
grava:
V.des
WssgDr
[f.11]
Donde:
Wssg = Peso saturado y superficialmente seco de la grava.
Vdes. = Volumen desalojado de agua, en ml.
Dr = Densidad relativa gravedad especfica de la grava.
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Figura 2.2 Llena el picnmetro tipo sifn con agua.
Figura 2.3Captacin del lquido con las probetas para determinar el volumen desplazado.
b) porcentaje de absorcin.
La absorcin en la grava se define de igual manera que en la arena como la capacidad
que tiene esta de absorber el agua hasta quedar todas las partculas sobresaturadas. Este
mtodo de prueba se refiere a la determinacin del porcentaje de agua que puede absorber la
grava para tomar este dato en cuenta a la hora de estimar la cantidad de agua en la mezcla
del concreto. Este mtodo es aplicable a la arena que cumpla con los requisitos mencionados
anteriormente y que se utilice para la elaboracin de concreto. [43] [21] Esta prueba tiene
como objetivo determinar la cantidad de agua que absorbe la grava para concreto,
expresando esta en porcentaje con respecto al peso seco de la grava, para el desarrollo de estaprueba se utiliza el siguiente material y equipo:
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Charola.- La charola deber ser metlica y con una capacidad de por lo menos 5000gr.
Horno o estufa.
Cristal de reloj. Este deber estar limpio y podr ser de cualquier tamao y con un espesor
de 3mm.
Grava.- Muestra de grava de 5kg. deber haber sido tomada como se mencion
anteriormente.
Balanza.- Balanza calibrada con aproximacin al 0.1 gr. Y capacidad de por lo menos 5kg.
Franela.
Agua.- El agua deber estar libre de impurezas y ser potable.
Y se sigue el procedimiento que se describe a continuacin:
1) Coloque la muestra en la charola y satrela de agua por 24hrs.
2) Enseguida retire el agua y se seque las gravas superficialmente con una franela
ligeramente hmeda, para que estn en condicin de saturadas y superficialmente secas.3) Posteriormente pese con la balanza una cantidad de material cercana a los 500 grs.,
obtenindose de esta forma el peso saturado y superficialmente seco de gravas (Wssg).
4) Sin que haya prdida de material, vace las gravas de nuevo a la charola para secarlas
totalmente ya sea en la estufa o en el horno, obtenindose el peso de gravas secas (Wg).
Clculos matemticos:
Sustituya los valores obtenidos en la frmula siguiente y se obtiene el por ciento de
absorcin de la grava:
100Wg
Wg-Wssg%Absorcin
[f.14]
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Donde:
Wssg = Peso saturado superficialmente seco de la grava.
Wg = Peso seco de la grava.
En general, la absorcin y humedad superficial de los agregados se debe determinar
de acuerdo con las normas ASTM C 70, C 127, C 128 y C 566 de manera que se pueda
controlar el contenido neto de agua en el concreto y se puedan determinar los pesos correctos
de cada mezcla. La estructura interna de una partcula de agregado, est constituida de
materia slida y de vacos que pueden o no contener agua.
Las condiciones de humedad de los agregados que se muestran en la siguiente figura
se designan como:
1. Secado al horno. Completamente absorbentes.
2. Secados al aire. Secos en la superficie de la partcula pero conteniendo cierta humedad
interior, siendo por lo tanto algo absorbentes.
3. Saturados y superficialmente secos (SSS). No absorben ni ceden agua a la mezcla de
concreto.
4. Hmedo. Contienen un exceso de humedad en la superficie (agua libre).
ESTADO:SECADO
AL HORNOSECADO AL
AIRE.
SATURADO,SUPERFICIALMENTE
SECO.
HMEDO MOJADO.
VISTA DELA
PARTCULA:
HUMEDADTOTAL:
NINGUNA.IGUAL A LAABSORCINPOTENCIAL.
MAYOR QUE LAABSORCIN.
MENORQUE LA
ABSORCINPOTENCIAL.
Tabla 5.Estados de humedad en las partculas.[4]
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Figura 2.4.Comprobacin de estado saturado superficialmente seco en arena.
Masa especfica y absorcin de agua del agregado fino NMX C 165 ONNCCE
2004 [44][32].
Se define como masa especfica de un agregado, la relacin de su peso respecto al peso
de un volumen absoluto igual de agua (agua desplazada por inmersin). Se usa en ciertos
clculos para proporcionamientos de mezclas y control, por ejemplo en la determinacin del
volumen absoluto ocupado por el agregado. Generalmente no se le emplea como ndice decalidad del agregado, aunque ciertos agregados porosos que exhiben deterioro acelerado a la
congelacin-deshielo tengan pesos especficos bajos. La mayora de los agregados naturales
tienen densidades relativas entre 2.4 y 2.9. Este mtodo de prueba se refiere a la
determinacin de la relacin entre el peso de la arena con respecto de un volumen igual de
agua. Este mtodo es aplicable a la arena que cumpla con los requisitos mencionados
anteriormente y que se utilice para la elaboracin de concreto. Esta prueba tiene comoobjetivo determinar la densidad relativa de la arena para elaborar concreto, para la cual se
utiliza el siguiente equipo y material:
Matraz.- Matraz aforado de fondo plano con una capacidad de 500ml. y su
correspondiente curva de calibracin.
Balanza.- Balanza calibrada con aproximacin al 0.1 gr. Y capacidad de por lo menos1kg.
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Molde troncocnico.- Molde troncocnico metlico, suficientemente rgido y con una
base igualmente metlica para depositar el material sobre una superficie lisa y limpia.
Pisn.- pisn metlico con la parte superior redonda que tiene un dimetro inferior a
la parte superior del molde troncocnico y que sirve para compactar el material.
Termmetro.- Termmetro que servir para medir la temperatura en grados
centgrados.
Embudo.- el embudo podr ser de plstico o metlico con un dimetro de por lo
menos 20cm y un tamao tal que pueda ser insertado en el cuello de la seccin
superior del matraz.
Probeta.- Deber ser una probeta graduada con una capacidad de no menos de
500ml.
Gotero.- El gotero podr ser de cualquier capacidad y/o material.
Horno o estufa.
Charola.- La charola deber ser metlica y con una capacidad de por lo menos
1000gr.
Cristal de reloj. Este deber{ estar limpio y podr{ ser de cualquier tamao y con un
espesor de 3mm.
Agua.- El agua deber estar libre de impurezas y ser potable.
Arena.- Muestra de arena de 500gr. deber haber sido tomada como se mencion en
el tema de caractersticas generales y muestreo.
Y para llevar a cabo dicha prueba se lleva a cabo el siguiente procedimiento:
1)
Coloque la muestra de arena en la charola y satrela de agua.
2) Deje reposar la arena en estado saturado por lo menos 24hrs. y retire el agua para
proceder a obtener el estado de saturado interiormente de agua y superficialmente
seco.
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3) Tienda la arena en una superficie limpia y seca exponindola a la intemperie,
movindola de un lado a otro, para que por efecto del sol y el viento, se logre el estado
superficialmente seco; para verificar que el agregado fino se encuentre en este estado,
se toma una porcin de l y se deposita en el molde troncocnico, el cual se llena con
la arena en 2 capas, la primera hasta la mitad del molde, dndole 15 golpes para
compactarla y 10 golpes a la segunda capa; se enrasa y se retira el cono, hacia arriba,
sin hacer movimientos laterales. Si al retirarse el molde el material mantiene la forma
de este, nos dice que la arena tiene exceso de humedad, por lo cual se contina
secando y se vuelve a repetir la operacin antes descrita, hasta que, cuando se retire el
cono, arena se desmorone libre y lentamente; cuando suceda esta condicin habremos
obtenido el estado deseado, sin embargo, si el escurrimiento del material despus de
haber quitado el molde es rpido, su secado habr sido excesivo y tendremos que
humedecer el material agregando agua con el gotero.
4) Pese 2 muestras de 200 grs. cada una de arena (Wsss) y vace una de las muestras en el
matraz utilizando el embudo, para cuidar que no se pegue a las paredes del matraz y
evitar que se caiga material fuera del frasco.
5) Llene la probeta de agua y tome su temperatura y vace el agua al matraz hasta la
mitad de la capacidad de este ltimo.
6) Seque totalmente la otra muestra de material en el horno o estufa, para obtener el peso
seco de arena (Ws), pase el cristal de reloj sobre el material y si no se empaa habr
logrado este estado.
7)
Extraiga el aire atrapado en las partculas de arena que esta en el matraz inclinndolo
un poco y girndolo suavemente hasta que ya no suban burbujas a la superficie.
8)
una vez que haya eliminado el aire atrapado complete la capacidad del matraz con
agua hasta la marca de aforo, de tal manera que la parte inferior del menisco coincida
con la marca de 500ml.
9) utilice la balanza para pesar el matraz con agua y arena (Wmws).
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10)Tome la temperatura de la suspensin y con esta entre a la curva de calibracin del
matraz y obtenga el peso del matraz ms agua hasta la marca de aforo (Wmw).
Clculos matemticos:
Sustituya los valores obtenidos en la frmula siguiente y se obtiene la densidad:
Wmws-WmwWs
WsDr
[f.9]
Donde:
Ws= Peso seco de la arena.
Wmw= Peso del matraz + agua.
Wmws= Peso de matraz + agua + arena.
Dr= Densidad relativa o Gravedad especfica.
La prueba se debe realizar como mnimo dos veces y el resultado final ser el promedio de
ambos resultados.
Figura 18.Masa especfica del agregado fino.
b) Porcentaje de absorcin.
Los agregados generalmente se encuentran en la intemperie y se encuentran expuestos
a cambios atmosfricos, por lo que al presentarse una lluvia tienen la capacidad de absorberel agua hasta quedar todas las partculas que los componen totalmente sobresaturadas. Este
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mtodo de prueba se refiere a la determinacin del porcentaje de agua que puede absorber la
arena para tomar este dato en cuenta a la hora de estimar la cantidad de agua en la mezcla
del concreto. Este mtodo es aplicable a la arena que cumpla con los requisitos mencionados
anteriormente y que se utilice para la elaboracin de concreto.[45][20]Esta prueba tiene como
objetivo determinar la cantidad de agua que absorbe la arena para concreto, expresando esta
en porcentaje con respecto al peso seco de la arena, para este ensayo es necesario utilizar el
siguiente equipo y material:
Balanza.- Balanza calibrada con aproximacin al 0.1 gr. Y capacidad de por lo menos
1kg.
Molde troncocnico.- Molde troncocnico metlico, suficientemente rgido y con una
base igualmente metlica para depositar el material sobre una superficie lisa y limpia.
Pisn.- pisn metlico con la parte superior redonda que tiene un dimetro inferior a
la parte superior del molde troncocnico y que sirve para compactar el material.
Gotero.- El gotero podr ser de cualquier capacidad y/o material.
Horno o estufa.
Charola.- La charola deber ser metlica y con una capacidad de por lo menos
1000gr.
Cristal de reloj. Este deber{ estar limpio y podr{ ser de cualquier tamao y con un
espesor de 3mm.
Agua.- El agua deber estar libre de impurezas y ser potable.
Arena.- Muestra de arena de 500gr. deber haber sido tomada como se mencion
anteriormente.
El desarrollo de la prueba se lleva a cabo de acuerdo al siguiente procedimiento:
1) Tome una porcin de la muestra de arena tal que al secarla en el horno o la estufa,
tenga un peso constante de 500gr. Verifique que el material este seco pasando el cristal
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de reloj por la superficie hasta que este no se empae. Este peso es el que se
considerar como el peso seco de la arena (Ws).
2) Coloque la muestra de arena en la charola y satrela de agua.
3) Deje reposar la arena en estado saturado por lo menos 24hrs. y retire el agua para
proceder a obtener el estado de saturado interiormente de agua y superficialmente
seco.
4) Tienda la arena en una superficie limpia y seca exponindola a la intemperie,
movindola de un lado a otro, para que por efecto del sol y el viento, se logre el estado
superficialmente seco; para verificar que el agregado fino se encuentre en este estado,
se toma una porcin de l y se deposita en el molde troncocnico, el cual se llena con
la arena en 2 capas, la primera hasta la mitad del molde, dndole 15 golpes para
compactarla y 10 golpes a la segunda capa; se enrasa y se retira el cono, hacia arriba,
sin hacer movimientos laterales. Si al retirarse el molde el material mantiene la forma
de este, nos dice que la arena tiene exceso de humedad, por lo cual se contina
secando y se vuelve a repetir la operacin antes descrita, hasta que, cuando se retire el
cono, arena se desmorone libre y lentamente; cuando suceda esta condicin habremos
obtenido el estado deseado, sin embargo, si el escurrimiento del material despus de
haber quitado el molde es rpido, su secado habr sido excesivo y tendremos que
humedecer el material agregando agua con el gotero.
5) pese con la balanza la muestra de arena en este estado (Wsss).
Clculos matemticos:
Sustituya los valores obtenidos en la frmula siguiente y se obtiene el porcentaje de
absorcin:
100Ws
Ws-WsssAbsorcin%
[f.10]
Donde:
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Wsss= Peso saturado superficialmente seco del arena.
Ws = Peso seco del arena.
Masa volumtrica Varillada (Mvv) kg/m3, NMX-C-073-ONNCCE-2004.[46][33]
Esta prueba tiene por objetivo la determinacin de la masa volumtrica de los
agregados finos y gruesos o de una combinacin de ambos. Este mtodo es aplicable a
agreg