MODULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO CON AGREGADOS ANDESITICOS DEL D.F. Ing. j. Guadalupe Sánchez Acuña* Ing. Manuel Mena Ferrer**

RESUMEN

Los concretos que se producen en el Distrito Federal con agregados andesíticos presentan módulos de elasticidad relativamente bajos: la relación E)& para estos concretos es aproximadamente igual a 8,500 a los 28 días de edad. Tomando como base un estudio efectuado recientemente en Canadá, se ensayó un concreto elaborado con estos agregados, incluyendo ceniza volante mexicana en proporción de 56% del cementante, y un aditivo superfluidificante. De esta manera se obtuvo un concreto que a los 28 días manifestó una relación E J f i = 10,500; lo cual representó un incremento del orden de 20% con respecto al valor usual. Se plantea la posibilidad de hacer extensiva esta experiencia a otros agregados naturales de alta deformabilidad disponibles en la misma región.

SUMMARY

Concretes made at Distrito Federal with andesitic aggregates, usually have low modulus of elasticity: the quotient EJfit is approximately equal to 8,500 at 28 days. Taking as reference a recently developed study in Canada, a concrete was tested using those aggregates, with mexican fly ash as 56% of cementing material and a high-range water reducing admixture.

As result, quotient E J f i was raised to 10,500 which represent an increase near 20% over the normal value. The possibility of extending this experience to other regional aggregates with high deformability characteristics is suggésted.

* Jefe del Depto. de Materiales, Dirección de Ingeniería Experimental, SARH * * Asesor en tecnología del concreto.

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MATERIALES

INTRODUCCION Se sabe que los concretos elaborados en el Distrito Federal con agregados an- desíticos de la región presentan módu- los de elasticidad relativamente bajos. Cuando se expresan los módulos de elasticidad de estos concretos (Ec) en fun- ción de sus resistencias a compresión fc) se obtiene la expresión Ec = 8 , 5 d 1 ) , cuyo coeficiente es sensiblemente me- nor del valor de 15,000 que con fre- cuencia se considera para concreto de peso

En un estudio de laboratorio efectua- do recientemente en Canadá,(3) se en- sayaron concretos con muy alto conte- nido de ceniza volante y un aditivo su- perfluidificante, que permitió obtener módulos de elasticidad superiores a lo usual. Y esto se atribuyó al elevado con- sumo de ceniza en el concreto que re- presentó 56% del material cementante.

Con objeto de conocer el efecto que en este aspecto pudiera tener el uso de la cq i za volante mexicana que se ob- tiene en la Central Carboeléctrica de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en Río Escondido, Coahuila, se proba- ron concretos elaborados con agregados andesíticos del Distrito Federal, incluyen-

cante. 1 do esta ceniza y un aditivo superfluidifi-

Las pruebas se llevaron a cabo en los laboratorios del Departamento de Ma- teriales de la Dirección de Ingeniería Ex- perimentatal de la Secretaría de Agricul- tura y Recursos Hidráulicos (SARH), por convenio con la empresa paraestatal Mi- nera Carbonífera Río Escondido, S.A. (MICARE).

La SARH, la CFE y MICARE autoriza- ron la divulgación de la información ob- tenida, por considerarla de interés y apli- cación general, y porque promueve el uso de esta ceniza volante que, como se sabe, es el subproducto resultante de la combustión del carbón mineral en la primera central carboeléctrica de gran tamaño en México.

MEZCLAS DE CONCRETO Se ensayaron tres mezclas de concreto con las siguientes características:

1. Mezcla sin ceniza ni aditivo superflui-

2. Mezcla sin ceniza, con aditivo super-

3. Mezcla con ceniza y aditivo superflui-

dificante (testigo).

fluidificante.

dificante.

A continuación se indican los princi- pales datos relativos a la composición de estas mezclas:

DATOS DE LOS COMPONENTES Cemento El cemento utilizado fue portland tipo l. En la Tabla 1 se incluyen los resulta- dos de las pruebas físicas y del análisis químico efectuado a una muestra de es- te cemento.

Ceniza volante Se empleó la llamada ceniza volante in- tegral, tal como se recupera actualmen- te en la Central Carboeléctrica de Río Escondido. Más adelante se mencionan algunas particularidades de esta ceniza.

Arena Se utilizó arena andesítica procedente de Huixquilucan, Méx., con las característi- cas físicas que se indican en la Tabla 2. Un dato significativo es que el conteni- do de finos que pasan la malla No. 200 fue 13% en esta arena, lo cual la sitúa en un término medio dentro de los va- lores que son comunes en las arenas an- desíticas de la región.

Conceptos Mezcla 1 Mezcla 2 Mezcla 3 ~~ ~~

a) Composición del concreto en peso, kg/m3: Cemento portland tipo I 333 31 7 146

- 185

Grava andesítica (5-20 mm) 925 881 91 8 Agua de mezclado 206 168 146 Aditivo superfluidificante - 10 6

Ceniza volante integral - Arena andesítica (0-5 mm) 679 802 735

b) Revenimiento, cm 8.0 8.5 8.5

c) Peso volumétrico, kg/m3 2143 21 78 21 36

d) Vacíos, % 1 .o 1.1 0.2

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i

TABLA 1. CARACTERISTICAS FlSlCAS Y QUlMlCAS DEL CEMENTO PORTLAND TIPO I

Conceptos

1. Agua de consistencia normal, % 2. Tiempo de fraguado (Vicat):

Inicial, h:min Final, h: min

Pasa malla No. 325, % Sup. específica Blaine, cm2/g

4. Resistencia a la compresión: A 7 días, kgicm2 A 28 días, kgícm2

5. Análisis químico, %: Sílice, SiO, Alúmina, AI,O, Oxido Férrico, Fe203 Cal (combinada), CaO Cal (libre), CaO Magnesia, MgO Anhídrido Sulfúrico, SO, Residuo insoluble Pérdida por calcinación,

6. Compuestos potenciales, % Silicato tricálcico, C,S Silicato dicálcico, C,S Aluminato tricálcico, C,A Fer. alum. tetracálcico, C,AF

3. Finura:

7. Densidad, gícm3

Resultados

25

2:45 4:25

75.4 3278

192 247

20.3 5.9 2.4

61.1 1.7 2.7 3.0 0.8 1.4

42.8 26.0 11.6 7.3

3.09

Nom C-1

0:45 mín. 8:00 máx.

2800 mín.

200 mín.

5.0 máx. 3.5 máx. 0.75máx. 3.0 máx.

TABLA 2. CARACTERISTICAS FlSlCAS DE LA ARENA ANDESITICA

Conceptos Resultados

1 . Composición granulométrica (% en peso):(”) Retenido malla No. 8 Retenido malla No. 16 Retenido malla No. 30 Retenido malla No. 50 Retenido malla No. 100 Pasa No. 100 Módulo de finura

2. Densidad, g/cm3 3. Absorción, % 4. Material que pasa la malla No. 200, % @)

5. Sanidad en sulfato de sodio:

(a) Por vía seca (b) Por vía húmeda

Pérdida en 5 ciclos, %

7.0 23.8 25.3 14.2 13.5 11.2 2.58 2.39 6.55

13.30

2.7

Grava La grava también fue andesítica y pro- cedió de un banco del Distrito Federal. Su tamaño máximo fue 20 mm y su pe- so específico 2.36 tonlm? Este último dato también puede considerarse un tér- mino medio dentro de los pesos espe cíficos que son usuales en las gravas an- desíticas de la localidad.

Aditivo El aditivo empleado fue de los llamados supertluidificantes o reductores de agua de alto rango. En pruebas normales de control de calidad, este aditivo produjo una reducción de agua de 10%.

CONDICIONES DE LA CENIZA VOLANTE Como requisito para evitar la contami- nación atmosférica, la ceniza volante que se produce durante la combustión del carbón mineral en la Central Carbo- eléctrica de Río Escondido, se capta en seco mediante precipitadores electros- táticos con tres campos de recuperación. De la combinación de estos tres cam- pos resulta la ceniza volante integral re- cuperada, que se conduce neumática- mente a silos de almacenamiento en donde CFE la pone a disposición de MICARE. *

La actividad puzolánica de las ceni- zas volantes, como sucede con cualquier otra puzolana, depende directamente de su finura; debido a ello, en la especifi- cación ASTM C 618(,) se limita a 34% el máximo permisible de partículas reteni- das en la malla No. 325 (45 micras). De acuerdo con análisis granulométricos efectuados por CFE, la ceniza volante in- tegral posee alrededor de 42% de partí- culas retenidas en esa malla y, como consecuencia de este exceso de partí- culas gruesas, su actividad puzolánica re- sulta inferior a la requerida en dicha es- pecificación. No obstante la porción fi- na (58%) de la ceniza integral, constitui- da por partículas menores de 45 micras, ha demostrado poseer excelentes pro- piedades como puz~lana.(~)

Con base en el conocimiento de es- tas propiedades, CFE decidió emplear la ceniza volante del Río Escondido en su forma integral para la elaboración de los concretos de la Central Hidroeléctrica La Amistad, Coahuila, de cuyas pruebas se obtuvieron muy buenos resultados.(@

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Para esta aplicación, se consideró que el 60% de la ceniza integral correspon- dería a una buena puzolana y el 40% restante serían partículas relativamente gruesas, con reducida actividad, que pa- sarían a formar parte del agregado fino del concreto.

Para la aplicación que se reseña en el presente artículo, se utilizaron 56 par- tes de ceniza volante integral por 44 par- tes de cemento portland tipo 1, en p e so. Al efectuar la distribución teórica de la ceniza dentro del concreto, confor- me al criterio descrito, resultaron las pre porciones que se indican en el siguien- te cuadro.

RESULTADOS OBTENIDOS De los tres concretos ensayados se ela- boraron especímenes cilíndricos de prue ba, de 15 x 30 cm, que se conservaron perma ri entemente en curado normal de laboratorio.

Mediante el ensaye de estos especí- menes, se determinaron las resistencias a compresión a edades de 7, 28, 63 y 120 días. Simultáneamente se obtuvie ron los módulos de elasticidad estáticos a compresión a las mismas edades de prueba, excepto a 7 días en que s610 se midió la resistencia.

Los resultados obtenidos en estos e~ sayes se presentan en la siguiente relación.

Existe el proyecto de separar el producto de los campos de recuperación, para disponer de ceniza volante con mejores caracterbticas granulométricas.

Cemento portland tipo I Ceniza volante integral

n 56 partes

Fracción fina Fracción gruesa (m) (40%)

t i ,

CEMENTANTE = 78 pites AGREGADO FINO - 22 parte

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Conceptos Mezcla 1 Mezcla 2 Mezcla 3 ~~ ~

(Sin ceniza (Sin ceniza (Con ceniza ni aditivo) con aditivo) y aditivo)

a) Resistencia a comprensión (fc) kglcm':

7 días 28 días 63 días 120 días

169 241 66 2 30 31 1 139 265 3 78 206 292 403 2 60

b) Módulos de elasticidad (E,) kgicm.:

28 días 63 días 120 días

129,591 147.392 123,331 143,390 169,050 152,480 152,175 176,263 167,Sl S

c) Relaciones E ) h :

28 días 63 dias 120 días

8,545 u, 3 58 10.16 % 8,808 8,695 10,624 8,905 8.780 10,389

INTERPRETACION DE RESULTADOS Resistencias a compresion En la Figura 1 se muestra gráficamente cómo evolucionaron las resistencias de los tres concretos ensayados, durante los 120 días comprendidos en el cstudio. Comparando la tendencia de las curvas ahí representadas, se observa un creci- miento más sostenido en la mezcla No. 3 con ceniza volante, lo cual pue- de relacionarse con el efecto puzolá- nico de ésta.

Si se juzgan las resistencias por su va- lor absoluto, resulta evidente que el con- creto con cenira es el que menos resis- tencia produce: sin embargo, no deben perderse de vista las diferencias que exis- ten entre los respectivos consumos de cemento de las tres mezclas de concre- to. Por lo tanto, una manera más razo nable para comparar las resistencias d e bería ser por medio de la eficiencia del cemento, es decir, mediante la resisten- cia obtenida por cada kilogramo de ce- mento utilizado en el concreto. Al r e

presentar las resistencias de este modo se obtienen las curvas de la Figura 2, en donde se observa que la máxima eficien- cia dcl cemento después de los 28 dias de edad corresponde a la mezcla ho. 3 con ceniza volante integral, y esto tien- de a confirmar la actividad puiolánica de este material.

No obstante, esta forma de compa- ración tampoco parece justa, pues no toma en cuenta la diferencia en costo de los concretos por concepto de la in- clusión de la ceniza volante y del aditi- vo. Si se convierte el costo unitario de la ceniza y del aditivo a costo equiva- lente en cemento, pueden representar- se las resistencias obtenidas por kilogra- mo de cemento equivalente en costo, tal como se presentan en la Figura 3. Para hacer esta conversión, se supusic- ron las siguientes relaciones entre los costos de los materiales:

Cementolcenira = 3 Aditivolcemento - 12

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FIC. 1. Evolución de las resistencias con la edad del concreto en las tres mezclas comparadas.

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FIC. 2. Resistencias obtenidas por kilogramo de cemento utilizado en las tres mezclas de concreto.

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Se observa que, sobre esta base de comparación, se reducen las diferencias entre las curvas de resistencia, y al ca- bo de 120 días esta mezcla No. 3 con ceniza, la que mayor eficiencia rinde por kilogramo de cemento equivalente en costo.

Módulos de elasticidad Para la determinación del módulo de elasticidad se aplicó el método de prue ba ASTM C 469, que considera el mó- dulo secante para el 40% del esfuerzo de ruptura del concreto. Los módulos así obtenidos resultaron congruentes con las resistencias correspondientes, es d e cir, los concretos de menor resistencia manifestaron módulos de elasticidad más bajos, y viceversa, independiente- mente de su edad de prueba.

Para comparar la deformabilidad r e lativa de los concretos, eliminando la in- fluencia del nivel de resistencia, puede aplicarse la relación Eclflc. Al calcular este cociente para las mezclas No. 1 y 2 que no contienen ceniza, se obtiene un valor muy cercano a 8,500, que es

el valor medio normalmente considera- do a 28 días para los concretos hechos con los agregados andesíticos que se emplean en el Distrito Federal. En cam- bio para la mezcla No. 3, elaborada con ceniza volante, se obtiene una relación del orden de 10,500 que representa un incremento algo mayor del 20% en ese valor, con respecto al de las mezclas No. 1 y 2 a los 28 días de edad. Es decir, a igualdad de resistencias, el concreto con la ceniza volante integral resulta m e nos deformable.

Las figuras 4, 5 y 6 contienen las cur- vas esfuerzo-deformación unitaria para los tres concretos ensayados a 28, 63 y 120 días de edad, respectivamente. Conviene observar que, conforme aumenta la edad, se reducen las dife rencias entre las deformaciones unita- rias de estos concretos, como conse- cuencia de que las diferencias entre sus resistencias también tienden a reducir- se.

JUICIOS Y COMENTARIOS Con el uso de la ceniza volante integral

Edad del concreto, días

36

de Río Escondido, en este concreto y en la proporción utilizada, se obtuvieron r e sultados que tendieron a confirmar dos posi bilidades:

1. Aprovechar la actividad puzolánica de la fracción fina de la ceniza vo- lante, empleando ésta en su forma integral.

2. Incrementar el módulo de elasticidad de concretos hechos con agregados de alta deformabilidad, incorporan- do la ceniza volante integral en pro- porción apropiada.

La primera posibilidad fue puesta en práctica con buen éxito en los cowre tos para la construcción de la Central Hidroélectrica La Amistad, Coahuila, de manera que el resultado de esta prue ba fue sólo una confirmación.

En cuanto a la segunda, es evidente que se requiere mayor número de prue bas para confirmarla. Aun cuando el Dis- trito Federal se halla muy distante de Río Escondido, es posible que el beneficio confirmado que se obtenga con el uso de la ceniza volante pueda justificar su transporte. Se estima que, para que los concretos con ceniza produzcan en las primeras edades resistencias equivalen- tes a las de los concretos sin ceniza, puede requerirse un costo extra por el cual se recibiría el beneficio de lograr un concreto menos deformable y con menores cambios volumétricos por se cado. Esto último, como consecuencia del menor requerimiento de agua de mezclado que propicia el empleo de la ceniza.

FIC. 3. Resistencias equivalentes en costo, en las tres mezclas de concreto.

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i FIC. 5. Gráficas esfuerzodeformación unitaria de los concretos a 63 días de edad.

FIG. 4. Gráficas esfuerzo-deformación unitaria de los concretos a 28 días de edad.

) Con ceni.

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.

Deformaciones unitarias. millonésimas

Para aquellas aplicaciones en que pueda operarse con la resistencia del concreto a largo plazo, por ejemplo a 90 días, no debe haber sobrecosto en el concreto, ya que se puede aprove- char el efecto puzolánico de la ceniza volante tal como queda de manifiesto en la Figura 3.

Finalmente, conviene tener presen- te que el Distrito Federal y zonas ale-

dañas existen otros agregados natura- les con características de alta deforma- bilidad, como las tobas pumíticas y los basaltos escoriáceos, que también pue den sacar ventaja de los beneficios mencionados con el uso de la ceniza volante.

RECONOCIMIENTO Las pruebas que sirvieron de base para este artículo se efectuaron en

FIC. 6. Gráficas esfuerzo-deformación unitaria de los concretos a 120 días de edad.

el Departamento de Materiales de la Dirección de ingeniería Experimental de la Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos, con cuya autorización se divulgan. Se reconoce y agradece la eficiente ejecución de estas pruebas al Dersonal del laboratorio de concreto de dicho Departamento de Materiales.

REFERENCIAS

1 Mendoza, Carlos J.- "Propiedades Mécanicas de los Concretos Fabricados en el Distrito Federal". Series del Instituto de Ingeniería, UNAM. Noviem- bre, 1985.

4 ASTM Designation C 618.- "Standard Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete". Anual Book of ASTM Standards. vol. 04.02. 1986.

5 Mena Ferrer, M.- "Acondicionamiento de la Primera Ceniza Volante pro- ducida en México para su Utilización en el Concreto". Revista lMCYC vol. 23, núm. 172, Agosto, 1985.

2 American Concrete 1nstitute.- "Reglamento de las Construcciones de Con- creto Reforzado (ACI 318-77) y Comentarios". Instituto Mexicano del C e mento y del Concreto, A.C. Abril, 1981.

3 Malhotra, V.M.- "Superplastized Fly Ash Concrete for Structural Applica- tions". Concrete International, Design & Construction, December 1986, vol. 8, No. 12.

6 Mena Ferrer, M.- "Utilización de Ceniza Volante Integral de Carbón en los Concretos para la Construcción de la C.H. La Amistad, Coahuila, de la Comisión Federal de Electricidad". Reporte Interno para MICARE. Abril, 1986.

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