título: diseño y fabricación de hormigones hidráulicos con

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Construcciones

Departamento de Ingeniería Civil

TRABAJO DE DIPLOMA

Título: Diseño y fabricación de hormigones hidráulicos con un cemento de

bajo carbono LC3 con arcillas del yacimiento El Yigre.

Autor: Ernesto Antonio Medina Sánchez.

Tutor: Dr.Cs José F. Martirena Hernández.

Ing. Abdel Pérez Hernández.

Consultante: Dr. Ing. Raúl González López.

Santa Clara.

2016

I

PENSAMIENTO.

Bueno es ir a la lucha con determinación, abrazar la vida y

vivir con pasión, perder con clase y vencer con osadía, porque

el mundo pertenece a quien se atreve y LA VIDA ES

MUCHO para ser insignificante"

Charles Chaplin.

II

DEDICATORIA.

A papa por ser tú, siempre guía y determinación en todo lo bueno

que he hecho, todos mis éxitos y resultados te los dedico a ti donde quiera que estés.

III

AGRADECIMIENTOS.

A mi madre por enseñarme a luchar y a aprender de la vida.

A mi padre por defenderme en los momentos más difíciles.

A mi familia por su apoyo incondicional durante estos años difíciles de

estudio.

A Tati y Vladi por ser mis segundos padres y apoyarme siempre que los

necesité.

A Alián por compartir conmigo todas esas alegrías y hacerme olvidar el

estrés del estudio.

A Yeily por su apoyo infinito y su completa dedicación hacia mí, por

velar que nunca me faltara cariño y comprensión.

A Débora por estar siempre al tanto y por apoyarme en todo lo que

necesité.

A Frandi mi agradecimiento infinito por su ayuda y tiempo empleado

en la realización de los ensayos.

A mi tutor Abdel por sus horas de dedicación en tos trabajos de la

Habana.

IV

A Martirena por confiar en mí a la hora de formar parte de su equipo de

trabajo.

A Raúl González por sus horas de dedicación y por sus valiosos aportes

y consejos sin los cuales este trabajo no hubiese sido posible.

Al personal del laboratorio de materiales: Felipe y Yoel los cuales me

brindaron un gran apoyo en los trabajos de hormigonado. Gracias

Felipe por tus horas extras con jornadas de trabajo de hasta 11 horas.

Gracias a mis profesores que me formaron académicamente de la mejor

manera posible, el perdón por alguna vez haberlos tildado de demasiado

exigentes, el haber tenido profesores rigurosos como ustedes, es lo mejor que me

pudo haber pasado en mi formación como ingeniero.

A mis compañeros de todos estos años de estudios por transitar a mi lado y

apoyarme siempre en lo que fuera en especial a la Kiki, Mara , Javier,

Carlos , el Kapi, Chuchi, Dayana, Lisabeth, la negrita Neisis,

Yoana, Ernesto, Miguel, Liset, Yisel, Abdel, Viviana entre otros,

sin los cuales estos años no hubiesen sido tan especiales.

A Gomara por haberme brindado esta gran oportunidad y por confiar

en mí.

A todos mis más sinceros agradecimientos.

VI

RESUMEN.

En el presente trabajo se evalúa la resistencia a compresión de hormigones

elaborados con cemento de bajo carbono LC3 con sustitución del clínquer hasta

un 50 %, de arcillas calcinadas y calizas. Las arcillas empleadas para la

fabricación del cemento son procedentes del yacimiento el Yigre y los cementos

empleados son de origen semi industrial, molidos en Centro de Investigación y

Desarrollo de la Construcción (CIDC) en la provincia de la Habana. Para la

caracterización mecánica de los hormigones se realizan ensayos de resistencia a

compresión a 3, 7, y 28 días de edad a especímenes de 10x20 cm elaborados con

LC3 y los patrones, confeccionados con cemento portland. El diseño de mezclas

fue realizado a través del método de Toufar, del cual fueron reajustadas las

cantidades de cementos según establece la norma cubana de durabilidad,

variando la relación a/c desde 0.4 hasta 0.55 así como los contenidos de

cementos. En total se realizaron un total de 4 mezclas por tipo de cemento.

VII

ABSTRACT.

This work evaluated the concrete compressed endurance elaborated with low

carbon cement LC3, substituting Clinker up to 50% of burn clay and limestone. The

clays used in the construction of this cement comes from el Yigre deposit, and the

kind of cement used is of semindustrial origin crushed at the investigation and

development construction center (CIDC in spanish) in Havana province. For the

concrete mechanical characterization there where made some compress

endurance rehearsal when 3, 7 and 28 days of age to some specimens of 10x20

cm elaborated with LC3 and the standard with Portland cement. The mixture

designed was done through Toufar method from which the quantity of cement was

readjusted according to the Cuban rule, heaving a difference relation w/c from 0.4

to 0.55 such as the ones contained in cement. In all these were made 4 mixtures

for type of cement.

VIII

Contenido

PENSAMIENTO. ............................................................................................................................... I

DEDICATORIA. ............................................................................................................................... II

AGRADECIMIENTOS. ..................................................................................................................... III

RESUMEN. .................................................................................................................................... VI

ABSTRACT. ................................................................................................................................... VII

INTRODUCCIÓN. ............................................................................................................................ 1

CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE CEMENTOS TERNARIOS PARA

SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE HORMIGÓN HIDRÁULICO. ................................................ 6

1.1 Características de la producción de cemento. .................................................... 6

1.1.1 Actualidad de la producción mundial ...................................................................... 6

1.2 Una alternativa sustentable: los materiales cementicios suplementarios. .... 7

1.2.1 Puzolanas. ............................................................................................................... 8

1.2.2 Arcillas calcinadas. .................................................................................................. 9

1.2.3 El sistema clínquer- arcilla calcinada-carbonato de calcio. ..................................... 12

1.3 El hormigón como material de construcción. .................................................... 13

1.3.1 Características y comportamiento del hormigón. .................................................. 14

1.3.1.1 Fraguado y endurecimiento. ...................................................................... 14

1.3.1.2 Consistencia................................................................................................ 15

1.3.1.3 Laborabilidad y homogeneidad. ................................................................ 16

1.3.1.4 Resistencia. ................................................................................................. 17

1.3.1.5 Durabilidad. ................................................................................................. 18

1.4 Métodos de dosificación para el diseño de mezclas de hormigón. ............... 20

1.4.1 Métodos teóricos y analíticos. ............................................................................... 22

1.4.1.1 Métodos basados en el contenido de cemento. ...................................... 22

1.4.2.2 Métodos basados en la resistencia a compresión. .................................. 24

1.4.2.3 Métodos de dosificación experimentales. ................................................ 26

1.5 Modelación del diseño para la dosificación de mezclas de hormigón. ........ 28

1.5.1 Optimización de las dosificaciones de mezclas de hormigón.................................. 28

1.5.2 Granulometría. ..................................................................................................... 28

1.5.3 Contenido mínimo de vacíos. ................................................................................ 31

1.5.4 Diseños mediante el uso de programas computacionales. Método de Toufar........ 32

IX

1.6 Conclusiones parciales. ......................................................................................... 34

CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO DE BAJO CARBONO DE

ORIGEN SEMI INDUSTRIAL. .......................................................................................................... 36

2.1 Generalidades. ......................................................................................................... 36

2.2 Materiales. ................................................................................................................. 36

2.2.1 Cemento. .............................................................................................................. 37

2.2.2 Áridos. .................................................................................................................. 38

2.2.2.1 Árido grueso. ............................................................................................... 38

2.2.2.2 Granito ......................................................................................................... 40

2.2.2.3 Árido fino. .................................................................................................... 42

2.2.3 Agua. .................................................................................................................... 44

2.2.4 Aditivo químico. .................................................................................................... 44

2.3 Diseño experimental de la investigación. ........................................................... 46

2.3.1 Variables Independientes. ..................................................................................... 46

2.3.2 Variables dependientes ......................................................................................... 47

2.3.3 Procedimientos. .................................................................................................... 47

2.4 Diseño de mezclas. .................................................................................................. 48

2.5 Preparación, mezclado, transporte y vertido de los constituyentes del

hormigón. .............................................................................................................................. 51

2.5.1 Ensayos físico-mecánicos y químicos utilizados. .................................................... 51

2.5.2 Elaboración de hormigón. ..................................................................................... 52

2.5.3 Chequeo de consistencia. ...................................................................................... 52

2.5.4 Evaluación de especímenes del hormigón endurecido........................................... 53

2.5.5 Curado de las probetas. ........................................................................................ 54

2.5.6 Resistencia mecánica a compresión a edades de 3; 7 y 28 días. ............................. 54


CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. .................................................................. 57

3.1 Resultados de los ensayos realizados al hormigón fresco. ........................... 57

3.2 Resultado de los ensayos de resistencia a compresión. ................................ 58


CONCLUSIONES GENERALES. ........................................................................................................ 67

RECOMENDACIONES. ................................................................................................................... 68

X

BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................. 69

Anexos. ........................................................................................................................................ 76

INTRODUCCIÓN.

1

INTRODUCCIÓN.

El cemento Portland (CPO) constituye uno de los materiales de construcción más

empleados y de mayor nivel de producción a escala mundial (Alujas, 2010). Sus

elevados volúmenes de producción se asocian a un elevado gasto energético y

grandes niveles de emisión de CO2 durante su elaboración, la industria del

cemento es la responsable de entre un 5 y un 8 % de las emisiones del CO2 a

nivel mundial. La producción de 1 tonelada de cemento Portland requiere

aproximadamente 4 GJ de energía, y su fabricación libera aproximadamente 1

tonelada de dióxido de carbono a la atmósfera(Mehta, 2001.). En la actualidad

existe un gran interés en reducir las emisiones de CO2 en la producción de

cemento, y en especial en los últimos 30 años, para ello la industria del cemento

se ha trazado tres medidas fundamentales:

- Mejoramiento de la eficiencia energética.

- Utilización de combustibles de más bajo contenido de carbono.

- Uso de extensores que disminuyan el porcentaje de clínquer en el cemento.

En Cuba, la industria del cemento, se ha convertido en la mayor consumidora de

recursos energéticos, por esta razón se buscan vías para disminuir las

afectaciones que provoca la producción de este material, tanto a la economía

como al medio ambiente. La sustitución de un porcentaje del clínquer a partir del

empleo de materiales cementicios suplementarios(MSC), ha sido reconocida como

la vía más efectiva para reducir las emisiones de CO2 y los gastos energéticos

asociados a la fabricación del cemento, al mismo tiempo que pueden mejorar o

mantener sus propiedades físico mecánicas y químicas. Análisis preliminares

indican que podría reducirse el gasto en la producción del cemento hasta en un 35

o 40 % del actual.

Un equipo de investigación interdisciplinario, cubano-suizo, perteneciente al

Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales de la Universidad

Central "Marta Abreu" de las Villas, CIDEM y el Laboratorio de Materiales de

Construcción (LMC) perteneciente a la Escuela Politécnica Federal de Lausana(

INTRODUCCIÓN.

2

EPFL), trabaja desde 2005 en la activación térmica de arcillas caoliníticas cubanas

de bajo grado y evalúa el contenido de calolinita de estas con el objetivo de

obtener arcillas calcinadas con algún porciento de metacaolín, el cual puede ser

empleado como sustitución del clínquer hasta en un 60 %. Este cemento se

denomina “cemento de bajo carbono” (CBC) (Andrés, 2014), por sus

considerables ahorros en el consumo de energía y bajas emisiones a la atmósfera

asociadas. Con la introducción de este preliminar resultado, la industria cubana del

cemento pudiera colocarse a la vanguardia mundial en la producción ecológica de

cemento, lo cual sería una respuesta significativa a la demanda productiva que

impone el desarrollo actual y futuro del país.

El uso fundamental del cemento es la producción de hormigón que es una mezcla

íntima y homogénea de áridos finos, áridos gruesos, cemento y agua en las

debidas proporciones para que fragüe y endurezca. Teniendo en cuenta que

muchas de las características del cemento de bajo carbono son diferentes a las

del cemento Portland, es necesario hacer un estudio para encontrar las

proporciones adecuadas de sus componentes.

Dentro de este contexto, en la presente investigación se plantea como problema

científico:

¿Cómo influye en el comportamiento de la resistencia a compresión del hormigón

hidráulico a diferentes edades el empleo de un cemento de bajo carbono

producido con sustituciones de hasta un 50 % del clínquer por arcillas calcinadas

del yacimiento El Yigre, Yaguajay y calizas?.

Para dar cumplimiento a tal problemática se traza así la siguiente hipótesis:

Si se fabrica un hormigón hidráulico a partir del empleo con cemento de bajo

carbono con sustitución del 50% del clínquer (arcillas calcinadas del Yigre -

calizas) se logra un comportamiento mecánico superior al hormigón confeccionado

con un cemento Portland P 35.

INTRODUCCIÓN.

3

El objetivo general de la investigación es:

Evaluar el comportamiento físico mecánico de hormigones a edades de 3; 7 y 28

días producidos con el cemento de bajo carbono, bajo diferentes regímenes de

curado, a partir de la sustitución del 50 % del clínquer del cemento Portland,

calcinada y caliza.

Objetivos específicos:

1. Fundamentar el papel de los cementos mezclados en la mejora de las

propiedades del hormigón, producido con adiciones minerales.

2. Diseñar las diferentes mezclas de hormigón con los constituyentes

seleccionados utilizando el método de Toufar.

3. Elaborar las diferentes mezclas de hormigón con cemento de bajo carbono

con 50% de sustitución del clínquer, variando la relación agua-cemento y

contenidos del aglomerante.

4. Analizar el comportamiento de la resistencia mecánica a compresión de los

hormigones producidos con CBC y P35.

Las tareas científicas a desarrollar son:

1. Búsqueda de información actualizada sobre el estado del arte de los

cementos mezclados y las propiedades de hormigones con materiales cementicios

suplementarios.

2. Diseño de mezclas utilizando el método de Toufar.

3. Producción de las diferentes mezclas de hormigón con los tipos de cemento

CBC y P 35.

4. Evaluación de la consistencia de las mezclas producidas con cemento CBC

y P 35 al variar la relación agua/cemento, el contenido y tipo de cemento.

5. Estimación de la resistencia a compresión de los especímenes elaborados

a la edad de 3,7 y 28 días.

6. Análisis comparativo de la resistencia a compresión obtenida en los

diferentes hormigones de CBC y P35.

INTRODUCCIÓN.

4

La novedad científica de este trabajo reside en el diseño (Toufar) y fabricación de

mezclas de hormigón hidráulico (con un cemento ternario de bajo carbono de

hasta un 50 % de sustitución del clínquer por arcillas calcinadas-calizas) de

similar comportamiento mecánico a las obtenidas con un cemento P35.

Los aportes del trabajo son los siguientes:

Teórico: Se presenta una recopilación de la información relacionada con el CPO y

cementos ternarios, así como los métodos de diseño de mezclas aplicados en la

actualidad para lograr un mejor empaquetamiento de los áridos. La información en

su mayoría ha sido obtenida de fuentes de los últimos cinco años y además varios

artículos nacionales e internacionales recientes en idioma inglés, principalmente

relacionados con el tema.

Práctico: Constituye un pilar fundamental para la elaboración futura a escala

industrial de hormigones utilizando CBC mediante un diseño adecuado, lo cual

puede disminuir los costos de producción del hormigón y cumplimiento de las

normativas vigentes.

Social: La validación del empleo del cemento de bajo carbono (con 50% de

sustitución del Clinker), a través de la producción de hormigones, justifica la

implementación de su producción local en el país. Ello ayuda a cubrir la actual

demanda en materia de construcción de los próximos años, respetando el medio

ambiente y reduciendo los costos de obtención y comercialización.

Estructura de la investigación:

Resumen.

Introducción: Estructura y caracterización del diseño de la investigación.

Capítulo I: Fundamentos teóricos sobre la fabricación de cementos

ternarios para su aplicación en la producción de hormigón hidráulico.

INTRODUCCIÓN.

5

En dicho capítulo se realiza un estudio actualizado de la literatura existente

con relación a los cementos mezclados y los diferentes diseños de mezclas de

hormigón hidráulico.

Capítulo II. Diseño y producción de hormigón con cemento de bajo carbono de

origen semi industrial.

Se realiza un análisis de las materias primas a emplear para la producción de

hormigón hidráulico, se efectúa el diseño de experimento y los diseños de mezclas

óptimos por el método de Toufar y se ilustra el proceso de hormigonado así como

la elaboración de probetas a ensayar.

Capítulo III: Análisis y discusión de resultados.

Se comparan los resultados obtenidos de los ensayos realizados a los hormigones

en estado fresco y endurecido con los realizados al patrón.

Conclusiones.

Recomendaciones.

Bibliografía.

Anexos.

CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE LA FABRICACION DE

CEMENTOS TERNARIOS PARA SU APLICACIÓN EN LA PRODUCCION DE

HORMIGÓN HIDRÁULICO.

6




1.1 Características de la producción de cemento.

1.1.1 Actualidad de la producción mundial.

El cemento Portland (CPO) se encuentra entre los materiales más empleados y

con mayor nivel de producción a nivel mundial. A pesar de su relativamente bajo

consumo energético por tonelada producida en comparación con otros materiales

de construcción, sus altos volúmenes de producción lo hacen responsable de

cerca del 7% de las emisiones de CO2 de origen antropogénico a nivel mundial y

del 5% del consumo de energía en el sector industrial. Este material, fabricado

aproximadamente en 150 países y cuyo volumen de producción se concentra

fundamentalmente en Asia, Europa y Medio Oriente, es uno de los productos más

usados y con mayor nivel de producción internacional, por su gran versatilidad

para diferentes labores constructivas y su relativo bajo costo(MARTIRENA, 2003).

Desde el año 2006 las empresas cementeras producen más de 2 500 millones de

toneladas de cemento anuales y contaminan con más de 1 250 millones de

toneladas de CO2 reduciendo la emisión de calor al espacio y provocando un

mayor calentamiento del planeta (WORRELL, 2009).

La producción de clínker (materia prima fundamental del cemento portland)

representa el mayor consumo de energía y es responsable también de los

mayores volúmenes de emisiones de CO2. Múltiples han sido los estudios con el

fin de crear tecnologías más efectivas para la reducción de las mismas, la

sustitución parcial del clínquer por material cementicio suplementario, se reconoce

como la vía más eficaz para lograrlo, manteniendo y en ocasiones mejorando, las

propiedades físico-mecánicas y de durabilidad de los hormigones, convirtiéndose

en la alternativa más eficiente y sustentable para esta industria.




7

1.2 Una alternativa sustentable: los materiales cementicios suplementarios.

En la actualidad, la inmensa mayoría de volumen de materiales cementicios

suplementarios empleados a escala global en la sustitución del clínker lo

constituyen subproductos del sector industrial donde se emiten altas cantidades

energía, con el elevado impacto ambiental asociado. Estos son las cenizas

volantes (subproducto de la quema del carbón en las plantas de generación

eléctrica), las escorias de altos hornos (subproducto de la industria siderúrgica), y

el humo de sílice (subproducto de la producción de silicio y ferrosilicio). Sin

embargo, se conoce que las reservas de estos materiales son insuficientes para

suplir a largo plazo su creciente demanda, además de que el acceso a estas

fuentes está limitado por factores económicos y regionales. Mientras tanto, otras

abundantes reservas de materiales puzolánicos permanecen sin explotación,

como las puzolanas naturales, la ceniza de la cáscara de arroz y las arcillas

activadas térmicamente (MARTIRENA, 2003, Alujas Díaz, 2010). Por ello se hace

necesaria la búsqueda y desarrollo de nuevas fuentes de materiales puzolánicos

que permitan el reemplazo parcial de significativas porciones de CPO en el

aglomerante, manteniendo o mejorando su resistencia y durabilidad, en la

antesala de un mercado donde los materiales de carácter puzolánico comenzarán

a ser explotados para ser empleados con mayor intensidad en la fabricación de

cemento. En este contexto, existe un marcado interés en el empleo de las arcillas

activadas térmicamente por constituir una potencial reserva natural de materiales

puzolánicos, con amplia disponibilidad en casi todas las regiones,

independientemente del grado de desarrollo económico(Alujas Díaz, 2010).

Las arcillas y el carbonato de calcio son las materias primas fundamentales en la

producción de cemento, así que la infraestructura de transporte para estas ya está

creada, e instalaciones para su procesamiento. Las reservas existentes de ambos

materiales, aunque no renovables, pueden ser explotadas hasta cierto punto sin




8

infringir un severo daño ambiental, y su disponibilidad excede la de cualquier otro

MCS conocido (Alujas Díaz, 2010).

1.2.1 Puzolanas.

En la normas (ASTM, 1992 la definición 618-78) plantea: "las puzolanas son

materiales silíceos, alumino-síliceos quienes por sí solos poseen poco o ningún

valor cementante, pero cuando se encuentran finamente divididos y están en

presencia de agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a

temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes".

Las puzolanas, según su origen, se clasifican en dos grandes grupos: las

naturales, tobas, piedra pómez, cenizas volcánicas, etcétera .Artificiales: cenizas

volantes, humo de sílice, escoria de altos hornos, etc. Pero también puede existir

un grupo intermedio constituido por puzolanas naturales que se someten a

tratamientos térmicos de activación, análogos a los que se aplican para obtener

puzolanas artificiales, con objeto de incrementar sus propiedades hidráulicas. Las

puzolanas contienen constituyentes que combinados químicamente con el

hidróxido de calcio a temperatura ambiente y en presencia de agua, dan lugar a

compuestos permanentemente insolubles y estables que se comportan como

conglomerantes hidráulicos.(SALAZAR, 2002, Morales, 2010, Megat, 2011).

En los cementos mezclados ocurre la transformación de la portlandita (hidróxido

de calcio) en hidro-silicato de calcio mediante la reacción puzolánica, la cual se

forma mediante la hidratación del cemento Portland, provocando la reducción del

desprendimiento de calor durante la hidratación y refinamiento de la porosidad en

la pasta de cemento. Esto permitió la obtención de materiales con aplicaciones

específicas como son los hormigones de altas resistencias, los de bajo calor de

hidratación, los resistentes a las expansiones causadas por la reacción álcalis –

sílice, el ataque de sulfatos y la elaboración de sellantes de grietas por

inyección(FELDMAN, 1984)).




9

El uso de puzolanas como adición al cemento trae grandes ventajas a los

hormigones, evita la exudación, la segregación, la retracción tanto hidráulica como

térmica , la expansión por cal libre y la reducción de la porosidad, aumentando la

estabilidad del hormigón frente a la fisuración, sulfatos y por la reacción álcalis-

agregado; y en cuanto a la durabilidad hace que los hormigones tengan un mejor

comportamiento frente a los ataques de las agua puras, ácidas, de mar, y a suelos

sulfatados, entre otras(SALAZAR, 2002).

Los materiales puzolánicos pueden ser utilizados como materia prima en la

fabricación del clínquer, aportando SiO2, A12O3 y Fe2O3 al crudo, por lo que

pueden reemplazar parcialmente a la arcilla y ser adicionados antes de entrar al

horno (en la molienda de las materias primas), en calidad de material

puzolánico.(MENA, 2013).

1.2.2 Arcillas calcinadas.

Bajo el término arcillas se engloba un extenso grupo de minerales cuyos

elementos predominantes son la sílice (Si), la alúmina (Al) y los Óxidos (O)

(BROWN, 1961). La presencia de estructuras cristalinas estables impide la

liberación de sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en la

reacción puzolánicas. Su estructura en forma de capas propensas al deslizamiento

y al agrietamiento, y la capacidad para inmovilizar grandes cantidades de

moléculas de agua en su superficie son factores que pueden afectar de forma

negativa la resistencia mecánica y la reología en un material cementicio, mientras

que su alta capacidad de adsorción de iones puede modificar la composición

química de las soluciones acuosas, afectando las propiedades tecnológicas del

hormigón(MULLER, 2005). Por lo tanto, las arcillas deben modificarse

estructuralmente para ser empleadas como materiales puzolánicos(Alujas Díaz,

2010).




10

Debido a la disponibilidad de arcillas caoliníticas en el país, se ha desarrollado un

nuevo sistema cementicio que permite aumentar significativamente el nivel de

sustitución de clínker en la producción de cemento Portland por productos que

tienen menor costo y más bajo consumo energético en su producción y amplia

disponibilidad. El principal elemento de este sistema es un material conocido como

“metakaolín” (MK), que resulta de la calcinación de arcillas ricas en mineral caolín,

que de esta forma se convierten en una puzolana de alta reactividad. Los estudios

realizados demuestran que una combinación en proporción de 2/1 de carbonato

de calcio y metakaolín puede sustituir más del 50% del clínker que se utiliza en la

producción de cemento, sin que se afecten las propiedades mecánicas finales del

producto.(MARTIRENA, 2011).

La activación térmica de un material arcilloso consiste en calentar la arcilla hasta

una temperatura dada para eliminar el agua estructural, modificando así su

estructura cristalina original para hacerlo químicamente más reactivo. Este

proceso es conocido como desoxhidrilación (NIELSEN, 1991). Opuesto al mineral

original que tiene altos niveles de cristalinidad, esta fase arcillosa metaestable

tiene un alto desorden estructural que favorece su capacidad de solubilizarse y

reaccionar químicamente.

Durante la calcinación de las arcillas pueden distinguirse varias etapas. Con el

calentamiento desde temperatura ambiente hasta 250°C ocurre la pérdida

(reversible en algunos casos) del agua adsorbida y absorbida en las superficies

externas e internas de la arcilla (deshidratación). Entre los 400°C y los 950°C

ocurre la remoción de los OH- estructurales (desoxhidrilación) acompañada por el

desorden parcial de la estructura cristalina y la formación de fases metaestables,

caracterizadas por una alta reactividad química (HELLER-KALLAI, 2006).

La pérdida de los OH- desestabiliza eléctricamente la estructura. Es por eso que

en las arcillas calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en




11

la reactividad puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en

desestabilizarse durante el proceso de desoxhidrilación. La desestabilización de

cargas eléctricas y la ruptura de los enlaces químicos por el calentamiento

provocan el colapso parcial de la estructura (Alujas Díaz, 2010).

Varios factores favorecen el empleo de las caolinitas en la obtención de materiales

puzolánicos en comparación con otros tipos de minerales arcillosos también

abundantes como la illita y la montmorillonita. Para las arcillas del tipo caolinita, el

amplio intervalo que existe entre la temperatura de desoxhidrilación y la

temperatura a la cual comienzan a manifestarse los fenómenos de recristalización

y sinterización es mucho mayor que para la montmorillonita o la illita. En la illita

ambos fenómenos ocurren casi a la misma temperatura, de manera que la

ventana térmica que se extiende entre el final de la desorganización estructural y

la recristalización de la estructura es muy estrecha, mientras que la

montmorillonita representa un caso intermedio (Makovicky and Osbaeck, 1994).

En la caolinita, los OH- están más vinculados a los enlaces entre las capas por el

aporte de interacciones por puente de hidrógeno, y representan un porcentaje

mayor en la estructura, por lo cual su remoción provoca un mayor desorden

estructural. También se ha reportado que, durante el intervalo que corresponde al

proceso de desoxhidrilación, la superficie específica de la caolinita aumenta

ligeramente, lo que favorece su reactividad(Alujas Díaz, 2010).

En el año 2009 en investigaciones realizadas por Dayrán Rocha se analizó el uso

de materiales cementicios suplementarios al CP, empleando sustituciones de un

20; 30; y un 40% del peso del mismo. En este estudio fueron explotados suelos de

la localidad de Manicaragua con los cuales se realizó una calcinación en mufla

durante una hora empleando una temperatura de 900 °C y posteriormente fueron

molidos en un molino de bolas MB-600 durante 120 minutos. Este trabajo estuvo

encaminado en evaluar a escala de laboratorio las propiedades mecánicas en




12

microhormigones con porcientos de sustitución de CP por arcillas calcinadas. La

resistencia a compresión y a flexión de los microhormigones, sustituyendo los

porcientos anteriormente mencionados de cemento por las puzolanas analizadas,

fue menor que las de la muestra patrón con un 100 % de CP, debido a que las

puzolanas no reaccionan a edades tempranas. Ya a los 7 días los valores tienden

a igualarse, y a los 28 días los microhormigones con adiciones activas para

determinados porcientos de sustitución, lograron resistencias superiores al patrón.

1.2.3 El sistema clínquer- arcilla calcinada-carbonato de calcio.

El empleo de adiciones de arcilla calcinada combinada con carbonato de calcio en

proporción 2:1, puede sustituir hasta un 45 % del contenido de clínquer en CP.

Bajo esta premisa, en una investigación llevada a cabo en el 2013 por Katy Mena

se produjeron dos tipos de cementos bajo la denominación B-15 y B-45 los cuales

representaban un 15 y 45 % de sustitución del contenido de clínquer,

respectivamente, se evaluó el comportamiento físico-mecánico de hormigones

fabricados con ambas variantes de acuerdo a la normativa vigente, demostrando

que ambos cementos presentaron un desempeño elevado a edades tempranas,

debido principalmente a la alta finura que los caracteriza, que promueve el efecto

filler, que según lo reportado en la literatura tiene una influencia más marcada en

las primeras edades. La influencia de la adición activa fue medida a partir de la

comparación con varias referencias, que incluyen el uso de un filler de cuarzo y la

fabricación de hormigones empleando cementos sin adición.(Andrés, 2014) Se

llevó a cabo una valoración de las propiedades reológicas en función de la adición

y los niveles de sustitución. La adición de arcilla calcinada con carbonato de calcio

demostró tener un efecto positivo en la resistencia a la compresión, la finura del

aglomerante resultó ser el factor más influyente, siendo además determinante para

las propiedades en estado fresco. La aplicación potencial del B-45 en bloques




13

huecos de hormigón fue evaluada además mediante una prueba piloto en una

fábrica de producción industrial

1.3 El hormigón como material de construcción.

El hormigón es el material resultante de combinar áridos con la pasta que se

obtiene al añadir agua a un aglomerante .El aglomerante puede ser cualquiera,

generalmente es un cemento artificial y los áridos suelen ser rocas, de tamaño

máximo limitado, que cumplen ciertas condiciones respecto a sus características

mecánicas, químicas y granulométricas . La pasta formada por cemento y agua es

la que confiere al hormigón su fraguado y endurecimiento, mientras que el árido es

un material inerte sin participación directa en este proceso. El cemento se hidrata

en contacto con el agua, iniciándose diversas reacciones químicas de hidratación

que lo convierten en una pasta maleable con buena adherencia, que en el

transcurso de unas horas, derivan en el fraguado y endurecimiento progresivo de

la mezcla, obteniéndose un material de consistencia pétrea. Una característica

importante del hormigón es poder adoptar formas distintas, a voluntad del

proyectista.(Griman, 2012) Debido al desarrollo de nuevos productos y tecnologías

el hormigón pasó de ser, una simple mezcla de agua, áridos y cemento Portland, a

un complejo material compuesto, donde coexisten productos amorfos y minerales,

agua, moléculas orgánicas más o menos complejas, y en ciertos casos, sales

minerales. El hormigón es considerado actualmente como el rey universal de los

materiales de construcción ya que posee determinadas ventajas que lo ubican en

la cima, el carácter plástico del mismo, lo que le permite conseguir piezas de

cualquier forma, con la única limitación de la complejidad del molde y altas

resistencias a compresión. Presenta la ventaja sobre otros materiales resistentes

de proporcionar piezas de un gran monolitismo, incluso en los nudos, haciendo

que pueda prescindirse de juntas o uniones. A su favor juega el ser un material

noble compuesto por otros muy abundantes y económicos, con una resistencia




14

mecánica buena y que cada vez van incrementándose y con un consumo de

energía de formación muy pequeño, frente a otros materiales de uso en la

construcción. El hormigón se ha impuesto de tal forma que hoy es imposible

encontrar una construcción en la que no esté presente en alguna parte de la

misma.

1.3.1 Características y comportamiento del hormigón.

1.3.1.1 Fraguado y endurecimiento.

Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química

exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. . Esto se

observa de forma sencilla por simple presión con un dedo sobre la superficie del

hormigón. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado

en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de

manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se

produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en

el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se

denomina fraguado final. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado

de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del

estado fluido al sólido. Así definido, el fraguado no es sino una parte del proceso

de endurecimiento.

El endurecimiento del hormigón depende a su vez del endurecimiento de la

lechada o pasta formada por el cemento y el agua, entre los que se desarrolla una

reacción química que produce un coloide “gel”, a medida que se hidratan los

componentes del cemento. La reacción de endurecimiento es muy lenta, lo cual

permite la evaporación de parte del agua necesaria para la hidratación del

cemento, que se traduce en una notable disminución de la resistencia final.

(Anonimus, 2013).




15

.El hecho de que pueda regularse la velocidad con que el cemento amasado

pierde su fluidez y se endurece, lo hace un producto muy útil en construcción. Una

reacción rápida de hidratación y endurecimiento dificultaría su transporte y una

cómoda puesta en obra. Una reacción lenta aplazaría de forma importante el

desarrollo de resistencias mecánicas. En las fábricas de cemento se consigue

controlando la cantidad de yeso que se añade al clínquer de cemento (Müller,

2013). En condiciones normales un hormigón Portland comienza a fraguar entre

30 y 45 minutos después de que ha quedado en reposo en los moldes y termina el

fraguado trascurridas las 10 o 12 horas. Después comienza el endurecimiento que

lleva un ritmo rápido en los primeros días hasta llegar al primer mes, para después

aumentar más lentamente hasta llegar al año donde prácticamente se estabiliza.

1.3.1.2 Consistencia.

La Consistencia del Hormigón Fresco es el mayor o menor grado que tiene el

hormigón fresco para deformarse y como consecuencia de esta propiedad, de

ocupar todos los espacios del encofrado o molde donde se vierte, además es un

índice indirecto de evaluar la docilidad. Otros índices son la viscosidad dinámica y

la cohesión, pero ellos resultan mucho más difíciles de evaluar en la práctica

común de producción y empleo de mezclas de hormigón. En la consistencia

influyen diferentes factores, en especial la cantidad de agua de amasado, pero

también el tamaño máximo del árido, la forma de los áridos y su granulometría,

trayendo consigo que la mezcla sea más laborable y fluida, lo que permite hacer

una correcta colocación del hormigón. La consistencia del hormigón debe fijarse

previamente a la puesta en obra, analizando que consistencia es la más adecuada

para colocación de acuerdo a los medios de compactación con que se dispone.

Este es un parámetro fundamental en el hormigón fresco. (Griman, 2012).

http://www.construmatica.com/construpedia/Hormig%C3%B3n_Fresco

http://www.construmatica.com/construpedia/Categor%C3%ADa:Encofrados

http://www.construmatica.com/construpedia/Agua

http://www.construmatica.com/construpedia/%C3%81rido

http://www.construmatica.com/construpedia/Granulometr%C3%ADa

http://www.construmatica.com/construpedia/Consistencia




16

Existen distintos métodos para medir la consistencia como el Cono de Abrams,

consistómetro VeBe, la mesa de fluidez y los docilímetros. El ensayo más

conocido para medir esta propiedad es el Cono de Abrams, por ser de fácil

aplicación y muy práctico a la hora de ser utilizado a pie de obra.

-Cono de Abrams.

Es un ensayo de asentamiento que depende de las características y proporciones

de los componentes del hormigón. Consiste en colocar el hormigón dentro de un

molde troncocónico con una altura de 30 cm, un diámetro superior de 10 cm y un

diámetro inferior de 20 cm. Para poner en práctica el procedimiento se siguen los

pasos siguientes:

1- Se humedece el molde y se coloca sobre una superficie ligeramente

humedecida también.

2- Se llena el molde en tres capas iguales, compactándose con 25 golpes de

varilla compactadora al final de cada capa.

3- Al terminar de compactarse la última capa se enraza con una espátula.

4- Se retira el cono verticalmente.

5- Se mide el asentamiento de la mezcla con respecto al borde superior del

cono.(NC, 174-2002).

1.3.1.3 Laborabilidad y homogeneidad.

Laborabilidad o docilidad.

Es la facilidad que presenta el hormigón para ser elaborado, manejado,

transportado, colocado y compactado sin que este sufra cambios o afectaciones

notables, es decir, sin que ocurra la segregación o exudación.

La docilidad del hormigón será la necesaria para que, con los métodos previstos

de puesta en obra y compactación, el hormigón rodee las armaduras con los




17

recubrimientos exigibles y rellene completamente los encofrados sin que se

produzcan coqueras (SALAZAR, 2002).

Homogeneidad.

Es la capacidad de distribución homogénea de todos los componentes del

hormigón a través de toda su masa. Lo opuesto a un hormigón homogéneo es que

presente segregación o decantación. Se evalúa determinando la masa específica

de varias muestras del hormigón fresco tomadas de forma aleatoria.

1.3.1.4 Resistencia.

El hormigón endurecido presenta resistencia a las acciones de compresión,

tracción y desgaste. La principal es la resistencia a compresión que lo convierte en

el importante material que es. Se mide en Mpa (Megapascales) y llegan hasta 50

Mpa en hormigones normales y 100 Mpa en hormigones de alta resistencia. La

resistencia a tracción es mucho más pequeña pero tiene gran importancia en

determinadas aplicaciones. La resistencia a desgaste, de gran interés en los

pavimentos se consigue utilizando áridos muy resistentes y relaciones agua

cemento muy bajas.(Griman, 2012).

Las especificaciones para el hormigón exigen una resistencia determinada a la

compresión a 28 días, aunque no necesariamente es la condición dominante. Las

especificaciones pueden imponer limitaciones a la relación a/c máxima admisible y

al contenido unitario mínimo de cemento. Es importante que exista un compromiso

entre las limitaciones para lograr un óptimo en las propiedades efectivas que

tendrá el hormigón (Anónimo, S.A-e).

El empleo de adiciones minerales para la producción de cementos mezclados no

solo trae beneficios ecológicos, sino que contribuye a la mejora de determinadas

propiedades en los hormigones, tales como menor calor de hidratación,

resistencias mecánicas superiores, alta resistencia ante sulfatos, baja

permeabilidad, así como baja reactividad álcali-agregado.




18

Estudios realizados han demostrado un excelente potencial en las arcillas

calcinadas, las que, mezcladas con el CP en porciento de sustitución de hasta un

30 %, mejoren significativamente la resistencia y la durabilidad del hormigón. La

reactividad de las arcillas calcinadas depende en gran medida del contenido de

caolinita y por tanto su empleo como puzolana artificial en la producción de

morteros y hormigones, ya que se reconoce su importante contribución en las

resistencias mecánicas, reducción de la permeabilidad y durabilidad (Lara, 2010).

Con una sustitución del contenido del clínquer por un 30% de metakaolín y el uso

de aditivo se logra una baja porosidad y un aumento considerable de resistencia

mecánica. Los resultados de la investigación de H. Paiva establecen que al

realizar reemplazos de metakaolín por cemento con porcentajes del 10 %, se

logran los máximos valores de resistencias a compresión. Valores superiores al 10

% no muestran aumentos significativos. Al realizar reemplazos de cemento por

metakaolín, con porcentajes entre el 30 % y 40 %, se logra remover

completamente el hidróxido de calcio, sin embargo, la resistencia a la compresión

en estas mezclas con reemplazos por encima del 20 % disminuyen drásticamente

(Mederos, 2013).

1.3.1.5 Durabilidad.

La durabilidad del hormigón se define como la capacidad para comportarse

satisfactoriamente frente a las acciones físicas y químicas agresivas a lo largo de

la vida útil de la estructura protegiendo también las armaduras y elementos

metálicos embebidos en su interior. Por tanto no solo hay que considerar los

efectos provocados por las cargas y solicitaciones, sino también las condiciones

físicas y químicas a las que se expone. Por ello se considera el tipo de ambiente

en que se va a encontrar la estructura y que puede afectar a la corrosión de las

armaduras, ambientes químicos agresivos, zonas afectadas por ciclos de hielo-

deshielo, etc. Varios son los factores que condicionan la durabilidad del hormigón.




19

Entre ellos, desde el punto de vista interno, se encuentran la composición y

distribución de sus componentes o materias primas, así como las características

propias de su diseño estructural. Aquellos con particularidades externas al

material, como son el grado de exposición y la agresividad del medio en que se

encuentra, también son determinantes de esta propiedad (DOPICO, 2009.). Para

garantizar la durabilidad del hormigón y la protección de las armaduras frente a la

corrosión es importante realizar un hormigón con una permeabilidad reducida,

realizando una mezcla con una relación agua/cemento baja, una compactación

idónea, un contenido de cemento adecuado y la hidratación suficiente de éste

añadiendo agua de curado para completarlo. De esta forma se reduce el

fenómeno de la exudación, se consigue reducir la porosidad y una red capilar

interna poco comunicada reduciéndose el ataque de agentes externos al

hormigón. El efecto de la calidad del hormigón, en lugares cercanos a superficies

expuestas, está estrechamente asociado con el grado y tipo de agente agresivo

que puede penetrar dentro del mismo. Las propiedades que controlan el transporte

de estos materiales dentro de la masa de hormigón o hacia el refuerzo, tales como

la permeabilidad y la sorptividad, son de particular importancia. El grado con que

un hormigón absorbe agua en contacto con su superficie está vinculado a varios

aspectos de la durabilidad. Los dos parámetros básicos asociados a la absorción

son la porosidad efectiva (masa de agua que se requiere para saturar el material)

y la sorptividad (grado de penetración). (KELHAN, 1988) Es válido aclarar que la

presencia de hidróxido de calcio (CH) en la matriz de la mezcla a base de CP es

perjudicial por los efectos de carbonatación y la lixiviación. La carbonatación

podría llegar a consumir la protección pasiva que cubre el refuerzo (en el caso de

hormigones armados), permitiendo la reacción de éste con los agentes agresivos.

La lixiviación que se produce cuando el CH es disuelto por el agua y retirado de la

matriz, esto puede romper el equilibrio entre los productos de reacción y causar la




20

destrucción parcial o total de los silicatos y aluminatos hidratados. En los casos de

existencia de sulfatos en el terreno o de agua de mar se deben emplear cementos

especiales.

Con la adición de un alto porcentaje de finos y una alta densidad de la pasta de

cemento se logra una alta impermeabilidad, que protege a hormigón de la

carbonatación. El Dr. Ing. José F. Martirena ha demostrado que en breve espacio

de tiempo gran parte del CH añadido habrá reaccionado con las puzolanas, y

quedará sólo un mínimo para mantener el equilibro entre los productos de

reacción. De esta forma, el porcentaje de productos hidratados es superior a

cuando se emplean adiciones minerales finas, y por ende la estabilidad de los

productos de reacción y la impermeabilidad de la matriz son mayores (Talero,

2005).

1.4 Métodos de dosificación para el diseño de mezclas de hormigón.

Métodos de dosificación. Generalidades.

La gran versatilidad de la construcción en hormigón y las crecientes exigencias

técnicas especificadas para este material llevaron a diversos investigadores a

conjugar investigación, experiencia y empirismo en la búsqueda de un método

para encontrar la dosificación de materiales que garantizaran la obtención de un

hormigón con las características que más se ajustasen a la necesidad que

tuvieran en cada caso. Esta búsqueda aún continúa y no ha llevado a un método

único ni por lo menos exacto; sin embargo, si ha definido varios procedimientos,

unos más empíricos que otros, que se basan en el ensayo y error para al final, y

en el caso de haber usado los datos o la información correcta, recomendar las

proporciones del hormigón esperado. (Shakhmento, 2000)En el diseño de una

mezcla de hormigón intervienen un gran número de variables que determinan su

comportamiento en servicio, desde su concepción, pasando por su mezclado,




21

fraguado y endurecimiento, hasta su madurez, dichas variables son, entre otras, el

costo, la resistencia, la trabajabilidad, la durabilidad y la apariencia. El diseño

consiste en optimizar estas variables dependiendo de los materiales previamente

seleccionados o escogiendo los que mejor se ajusten a cada caso específico,

haciendo que cada necesidad especifique un hormigón distinto en el cual

predomine una o diversas variables, siendo éstas quienes en realidad se

optimizan y adoptando valores mínimos para las demás.

El diseño consiste en tres pasos fundamentales:

- Seleccionar los componentes que se van a utilizar en el diseño.

- Determinar las cantidades apropiadas de cada uno de los componentes de la

mezcla.

- Ajustar las cantidades.

El uso de un método u otro está en función del tipo de hormigón que se vaya a

diseñar, es decir, el que más se ajuste a las condiciones de la obra. En la

actualidad la producción de hormigón se realiza generalmente en plantas donde

muchos de los equipos son automatizados. Para ello, el cliente enumera cuales

son las características que le interesan de los componentes, el técnico escoge la

dosificación más adecuada y la introduce en un ordenador, el cual se encarga de

todo el trabajo hasta que el material es depositado en la hormigonera.

Las metodologías de dosificación pueden dividirse, fundamentalmente, en dos

grupos: uno formado por los métodos que tienen como dato principal de partida la

dosificación de cemento y otro formado por los hormigones definidos por sus

resistencias mecánicas, especialmente la de compresión. En ambos casos, sin

embargo, se deben aportar otros datos como pueden ser la consistencia, tamaño

máximo del árido a emplear, tipos de áridos, etc. (Huanca, 2006)

Entre los métodos basados en el contenido de cemento tenemos el método de

Füller y método de Bolomey y entre los métodos basados en la resistencia a




22

compresión tenemos el método del American Concrete Institute (A.C.I), método De

La Peña y método del DIN. Existen también métodos basados en la

experimentación, como el de O’Reilly que es el más utilizado en Cuba y otras

metodologías basadas en mezclas de prueba y en granulometrías discontinuas.

1.4.1 Métodos teóricos y analíticos.

1.4.1.1 Métodos basados en el contenido de cemento.

- Método de Füller.

Creado en el año 1907 en los EUA, su aplicación está dirigida principalmente para

diseños de hormigones en los cuales el tamaño máximo del árido se encuentra

comprendido entre 50±20 mm, los áridos son rodados, no existen secciones

fuertemente armadas y la cantidad de cemento por metro cúbico es superior a los

300 Kg/m3.

Los datos para el diseño de una mezcla de hormigón son: la cantidad de cemento

por metro cúbico de hormigón, la consistencia, la granulometría y densidad relativa

de los áridos.

Metodología utilizada en el método de Füller.

1- Determinar el tamaño máximo del árido utilizado, el cual se considera la

abertura del menor tamiz que retiene menos del 25% de la fracción más gruesa

del árido.

2- Establecer la cantidad de agua por metro cúbico de hormigón en función del

árido utilizado, el tamaño máximo y la consistencia que deba tener el hormigón,

apoyándonos en las tablas base.

3- Determinar las proporciones en que deben mezclarse los áridos utilizando una

curva que considera una granulometría ideal, llamada curva de Füller.




23

4- Realizar un ajuste granulométrico de la curva de Füller por medio de tanteos o

basado en los módulos granulométricos. Es necesario aclarar que el ajuste por

medio de tanteos resulta rápido y cómodo, pero el ajuste teórico de los módulos

granulométricos es un procedimiento numérico que se acerca más a la exactitud.

5- Determinar la dosificación por metro cúbico de hormigón, calculando los

volúmenes relativos y llevándolos a peso.

6- Obtener el volumen relativo de los áridos que hay que repartir entre las

proporciones halladas con anterioridad.

De esta manera se obtiene un detallado diseño de los componentes del hormigón

utilizando el método de Füller basado en el contenido de cemento. Resulta

significativo aclarar que los pesos obtenidos en este diseño son para áridos secos,

es decir, si se quiere poner en práctica este método hay que hacer las respectivas

correcciones, ya que con frecuencia presentan algún tipo de humedad. (BOLIVAR,

2010).

- Método de Bolomey.

Este método puede ser considerado como un perfeccionamiento del método de

Füller; los datos para efectuar la dosificación por este método suelen ser los

mismos que los utilizados por el método de Füller. La cantidad de agua necesaria

por metro cúbico de hormigón se determina utilizando las mismas tablas que en el

método de Füller. Para la determinación del tamaño máximo del árido se sigue el

mismo criterio utilizado en el método anterior, la cantidad de agua necesaria por

metro cúbico de hormigón se determina utilizando las mismas tablas que en el

método de Füller. Para determinar en qué proporción se mezclan las distintas

fracciones de árido, es en éste punto donde se aportan las modificaciones

respecto al método anterior, pues Bolomey utiliza una curva de granulometría

variable en función de la consistencia deseada en el hormigón y la forma de los

áridos, mientras que Füller considera una curva de granulometría ideal. Para




24

ajustar la curva granulométrica de Bolomey el sistema de tanteos no varía con

respecto al utilizado por Füller, pero el basado en los módulos granulométricos si

aporta algo nuevo, ya que Bolomey considera el cemento como un árido

más.(BOLIVAR, 2010).

1.4.2.2 Métodos basados en la resistencia a compresión.

- Método del American Concrete Institute (A.C.I).

El sistema del American Concrete Institute (A.C.I) es, sin lugar a dudas, el método

de dosificación más utilizado en todo el mundo, siendo adecuado para cualquier

obra realizada con hormigón (Anónimo, S.A-c). A continuación se muestran los

pasos que se deben seguir para dosificar una mezcla de hormigón siguiendo el

método de la A.C.I.

1- Determinar el tamaño máximo del árido, teniendo en cuenta que debe el mayor

posible siempre que cumpla con las especificaciones de diseño.

2- Obtener en una tabla los valores de consistencia después de haber hecho el

ensayo del cono de Abrams. Para ello se toma el menor asentamiento, siendo

este el que más se acerca a la realidad.

3- Hallar por medio de tablas la cantidad de agua de amasado por metro cúbico de

hormigón que necesita la mezcla.

4- Definir la relación agua/cemento de acuerdo al tipo de ambiente al que se

encuentre expuesto (términos de durabilidad) y la resistencia a compresión a los

28 días (términos de resistencia) apoyados en las tablas.

5- Calcular la cantidad de cemento que va a ser utilizada por metro cúbico de

hormigón teniendo la cantidad de agua y la relación agua/cemento.




25

6- Determinar las cantidades de árido grueso y árido fino. Es necesario emplear la

mayor cantidad de árido grueso para mejorar las condiciones de resistencia sin

afectar la docilidad de la mezcla. Por otro lado el contenido de finos puede

obtenerse por el método de los volúmenes absolutos o por el de los pesos.

(Toledo, 2014).

- Método De La Peña.

Este método de dosificación fue publicado en el año 1955 por C. De La Peña y se

basa principalmente en la resistencia media a compresión. ‘‘Se aplica en

hormigones estructurales de edificios, pavimentos, canales, depósitos de agua,

puentes, etc., partiendo de un contenido de 300 kg/m³ de cemento y cuando las

condiciones de ejecución puedan estimarse como buenas. ’’ (Anónimo, S.A-f).

Metodología utilizada por De La Peña para poner en práctica el método.

1- Fijar el tamaño máximo del árido considerando que es la abertura del menor

tamiz que retiene menos del 25% de la fracción más gruesa del árido.

2- Determinar la consistencia deseada proporcionándola como dato u

obteniéndola como resultado de los ensayos de asentamiento del cono de

Abrams.

3- Fijar la cantidad de agua por metro cúbico de hormigón en función de la

consistencia, el tipo de árido y su tamaño máximo. Para ello nos apoyamos en las

tablas base.

4- Determinar la relación agua/cemento en peso, la cual está en función de la

resistencia media del hormigón a los 28 días y el tipo de árido a utilizar,

apoyándonos en las tablas.

5- Obtener el peso del cemento en kilogramos para el volumen de agua por metro

cúbico de hormigón.




26

6- Determinar la proporción en que deben mezclarse los áridos utilizando un

gráfico en el que se establece el porcentaje del árido en función del módulo

granulométrico y el tamaño máximo del árido.

7- Obtener el volumen real que hay que repartir entre los áridos utilizando 1.025

para conseguir un metro cúbico de hormigón.

- Método del DIN.

El método DIN – 1045 es una aplicación singularizada del método del Módulo de

Finura de la Combinación de Agregados. Parte de la hipótesis que el módulo de

finura del agregado integral oscila entre 5.2 y 5.3. A veces puede presentarse en

la elaboración del hormigón con este método una mezcla sobre-arenosa, a la cual

hay que necesariamente corregirla, disminuyéndole el 10% de agregado fino o

agregándole el 10% de agregado grueso. Si la mezcla se presenta sobre-gravosa

se hará lo contrario (López, S.A).

El procedimiento seguido para poner en práctica el método del DIN agrupa la

misma metodología que es utilizada en el método de la A.C.I incluyendo solo un

paso más. A continuación se explica el paso que marca la diferencia entre ambos

métodos.

Luego de definir la relación agua/cemento y calcular la cantidad de cemento por

metro cúbico se determina el módulo de finura del agregado global mediante

tanteo de la tabla granulométrica, cuyo valor deberá oscilar entre 5.2 – 5.3, los

porcentajes obtenidos serán los porcentajes de incidencia de los agregados y se

calcula los pesos secos de los agregados (López, S.A).

1.4.2.3 Métodos de dosificación experimentales.

Método de O’Reilly.

El Método de Dosificar Mezclas de Hormigón del Prof. O'Reilly constituye una

notable contribución al desarrollo de las Ciencias Técnicas, aplicadas en particular

al hormigón armado, material que mantiene su vigencia entre los recursos




27

fundamentales para el desarrollo de las construcciones en el mundo .Resultado de

15 años de investigaciones, en el que se ha empleado un extraordinario número

de probetas, complejas elaboraciones matemáticas y revisión de los métodos de

dosificación más reconocidos en el mundo, se introducen valiosos aportes

científicos a la teoría y práctica de las mezclas con la comprobación experimental

de la influencia de las formas geométrica variables de las partículas de los áridos

en la reología y máxima compacidad del hormigón, propiedades fundamentales

para el logro de la óptima economía del cemento y la durabilidad de las

construcciones, muy en particular, frente a la agresividad del medio ambiente

marítimo característico de nuestro país. El procedimiento propuesto por O’Reilly se

utiliza en Cuba y en otros países de África y América. Una de las principales

ventajas de este método es el ahorro de cemento que proporciona. En efecto,

comparado con otros métodos como el ACI, el método O’Reilly puede llegar a

reducir en un 15% o más el consumo de cemento por metro cúbico de hormigón.

Esto tiene una repercusión económica muy importante en la industria de la

construcción.

En el objetivo de lograr el máximo ahorro de cemento con las condiciones

tecnológicas existentes, sin requerir nuevas inversiones o eventuales

importaciones de aditivos químicos para las mezclas de hormigón, O’Reilly

propone un método de dosificación a partir de la determinación de las

características de los áridos a emplear, y en función de ellas se diseña la mezcla,

pues según demuestra existe una influencia cuantitativa de la forma de los áridos

en el consumo de cemento.

El método consiste en determinar experimentalmente la combinación porcentual

de áridos gruesos y arena que ofrezca el máximo peso volumétrico (mínimo

contenido de vacíos), obteniendo el volumen de la pasta a través del cálculo de los

vacíos, y finalmente el contenido de cemento y de agua se determina mediante




28

factores que dependen de la relación a/c y de la consistencia deseada de la

mezcla (CUJAE, 2007).

1.5 Modelación del diseño para la dosificación de mezclas de hormigón.

1.5.1 Optimización de las dosificaciones de mezclas de hormigón.

Optimizar consiste en maximizar el valor de una variable, en este caso el peso. En

otras palabras, determinar el valor máximo del peso en función de los tipos de

áridos utilizados. El porqué de optimizar es para conseguir el menor número de

huecos posibles, o sea, la máxima compacidad (ORTEGA, 2012).

El desarrollo de materiales que presenten un comportamiento acorde con las

necesidades del usuario, hace imprescindible la utilización de herramientas

basadas en criterios de optimización(MENÉNDEZ, 2008.). En una mezcla de

hormigón las características del cemento son prácticamente invariables, por lo

que, buscar una propiedad específica en la misma, depende mayormente de las

transformaciones en las propiedades físicas de los agregados, lo que da lugar a la

utilización del factor de empaquetamiento como una vía de optimización.

El empleo de combinaciones de agregados que producen un factor de empaque

máximo permite elaborar una mezcla con un contenido de pasta mínimo, reducir el

contenido de cemento, obtener hormigones más económicos, con mayor

estabilidad volumétrica y un menor calor de hidratación.

1.5.2 Granulometría.

La composición granulométrica es una característica particular de los materiales a

granel, como las arenas, gravas, piedra triturada en general y otros materiales

granulados. En esencia, la granulometría es la distribución por tamaño de las

partículas o granos componentes del material. La granulometría de los áridos es

uno de los parámetros más importantes empleados para la dosificación del

hormigón (La mayoría de los métodos de dosificación presentan especificaciones




29

sobre las granulometrías óptimas que deben tener los áridos), puesto que

constituye su esqueleto y tiene una gran influencia sobre sus propiedades. El

análisis granulométrico de un árido consiste en determinar la distribución por

tamaños de las partículas que lo forman, o sea, en separar al árido en diferentes

fracciones de tamaño de partículas, o de tamaños comprendidos dentro de

determinado límites y en hallar el porcentaje de cada fracción en el total del árido.

Las granulometrías obtenidas por análisis de los áridos disponibles, arenas,

gravillas, gravas, etc., indican la distribución por tamaños de las partículas de cada

uno y permiten determinar en qué proporciones se han de mezclar aquellos para

obtener una granulometría del árido resultante que se parezca lo más posible a

una curva granulométrica ideal de compacidad máxima. El conseguir, mediante la

mezcla de los áridos conocidos, esta aproximación a determinadas curvas tiene

por finalidad obtener granulometrías que den lugar a hormigones dóciles y

compactables con una cantidad de energía prudencial. Hormigones que serán

compactos, de máxima densidad y máxima resistencia, si tenemos en cuenta, de

acuerdo con Feret, que la máxima compacidad proporciona la máxima

resistencia.(Eddy.H, 2011).

La gran importancia que la granulometría de los áridos tiene en el hormigón se

pone de manifiesto en la influencia que posee esta sobre la docilidad y por tanto,

en la dosificación de cemento y de agua, pero por otra parte, la granulometría

afecta a la compacidad y coherencia de la mezcla, pudiendo provocar en

segregación y/o exudación de tomarse una decisión incorrecta de la mezcla; es

decir, influye sobre las propiedades del hormigón fresco y sobre las del endurecido

a través de su participación en las resistencias, estabilidad de volumen y

durabilidad.




30

No solo es importante que el árido posea una buena granulometría sino que,

además, hay que asegurar que ésta permanezca constante en todas las masas

puesto que sus variaciones influyen en la docilidad y pueden dar lugar a mayores

necesidades de agua con las consiguientes repercusiones en las resistencias.

Granulometría óptima.

Se denomina "granulometría óptima" a la que, para una misma consistencia y

relación Agua/Cemento, le corresponde un consumo mínimo de cemento, dando,

además, el mínimo de segregación. Esta última exigencia no debe ser

menospreciada puesto que, mezclas dóciles, que pueden producir hormigones

resistentes y económicos pueden dar origen a que estos sean débiles, coquerosos

y poco durables si se produce la segregación de los áridos. Los áridos deben tener

una distribución y porcentaje de tamaños tal, que den lugar al menor número

posible de huecos entre ellos con lo cual, las necesidades de pasta de cemento

serán menores y al mismo tiempo se impedirá que esta se filtre a través de los

huecos cuando se produce la compactación. Esto requiere que la granulometría

sea rica en finos de tamaño inferior a 0.32 mm y, tanto más cuanto menos

cantidad de cemento se emplee. Los áridos machacados presentan un mayor

número de huecos entre ellos, a rellenar con arena, que en el caso de áridos

rodados. Es preciso que el árido ocupe un volumen relativo lo más grande posible

debido, en primer lugar, a razones de tipo económico dado que el árido es más

barato que la pasta de cemento y, en segundo, a razones técnicas, puesto que al

ser más grande el volumen de áridos menor será el de pasta con la consiguiente

disminución de la retracción y fluencia del hormigón. Por otra parte, al ser los

áridos, generalmente, más resistentes que la pasta, los hormigones deberán ser

tanto más resistentes cuanto mayor volumen relativo ocupen estos en la masa de

hormigón, lo que se logra empleando el mayor tamaño posible de árido y haciendo

que los huecos existentes entre los granos gruesos sean ocupados por los de




31

tamaño inmediato inferior, y los existentes entre estos lo sean por los siguientes

en tamaño y así sucesivamente hasta que las partículas más finas de arena

terminen por rellenar los últimos huecos existentes. No obstante, entre las

partículas más finas de la arena aún quedan huecos sin rellenar en los que ha de

entrar la pasta de cemento. Pero, esta no solo tiene la misión de relleno de huecos

sino que, también tiene que actuar como conglomerante uniendo entre sí a los

granos del árido, es decir, ha de formar una película que recubra a estos granos

para que puedan unirse por contacto unos con otros. El volumen de pasta a

introducir para esta nueva misión será tanto mayor, cuanto más grande sea la

superficie específica de estos, siendo, además, mayor cantidad de agua necesaria

para el mojado de los granos del árido. (Day, 2011).

1.5.3 Contenido mínimo de vacíos.

Sobre la base de dar respuesta a las necesidades de resistencia y durabilidad de

un hormigón, fundamentalmente, se hace imprescindible la búsqueda de un

material lo más compacto posible. En efecto, la máxima compacidad proporciona

la máxima resistencia (Féret) y además actúa como un excelente agente externo a

la hora de conseguir una mayor vida útil en el hormigón; lógico, ya que cuanto más

compacto es el material, menor es el porcentaje de vacíos existentes, mejorando

así resistencia y durabilidad, ya que ambas dependen básicamente de la

porosidad.

El agua en exceso forma vacíos en la mezcla, los cuales tienen el mismo efecto

nocivo en la resistencia del hormigón que los vacíos ocupados por el aire. Es

necesario señalar también que el cemento raras veces se hidrata totalmente por lo

que aún, añadiendo agua en un 25% del peso del cemento, se formarían vacíos

(Ingala, 2006).

De manera general los poros presentes en el hormigón pueden clasificarse en los

siguientes tipos:




32

Poros del árido.

Poros debidos a deficiente compactación.

Vacíos intergranulares sin pasta.

Poros capilares.

Poros de aire atrapado.

Poros debidos a la exudación (también capilares).

Poros del gel.

Poros de aire ocluido (si se usan aditivos inclusores de aire).

Los últimos cinco tipos de poros señalados anteriormente se presentan en la pasta

de cemento endurecida. Puede entonces simplificarse, y decir entonces que los

poros en el hormigón son la suma de los poros del árido y los poros de la pasta de

cemento endurecida (Rodríguez, 2014).

Debido al fenómeno de exudación aumenta la presencia de poros capilares (Se

define como poros capilares a los espacios originalmente ocupados por el agua en

el hormigón fresco, los cuales en el proceso de hidratación del cemento no han

sido ocupados por el gel), principalmente aquellos conectados con el exterior,

además que se incrementa el volumen de agua ocluida en la masa de hormigón

convirtiéndose más tarde en grandes poros internos. Esta alta porosidad, además

de comprometer las propiedades físicas y mecánicas del hormigón, influye en su

impermeabilidad y por ende en su protección ante las acciones del medio externo,

lo que provoca un detrimento de su durabilidad. Mientras más permeable sea el

hormigón, con mayor facilidad penetrarán sustancias químicas agresivas, como

son los iones cloruro y los sulfatos (Lara, 2010).

1.5.4 Diseños mediante el uso de programas computacionales.

Método de Toufar.




33

El empleo de combinaciones de agregados que producen un factor de empaque

máximo permite elaborar una mezcla con un contenido de pasta mínimo, reducir el

contenido de cemento, obtener hormigones más económicos, con mayor

estabilidad volumétrica y un menor calor de hidratación. En consecuencia, el

concepto de empaque es una herramienta útil para optimizar la combinación de

los agregados y el modelo de Toufar Modificado proporciona una buena

estimación del mismo (MENÉNDEZ, 2008.).

El Método de Toufar es un método realizado por investigadores canadienses que

se basa en la disminución del contenido de cemento mediante el cálculo de la

proporción de áridos que garantice el menor volumen de vacíos. Está centrado en

lograr el factor de empaquetamiento máximo para la mezcla que se quiera diseñar,

teniendo la posibilidad de trabajar en el diseño con tres fracciones de áridos y con

varios materiales cementicios suplementarios. A continuación se muestra la

metodología seguida por Toufar para el diseño de mezclas de hormigón.

A. Tamizar los agregados para saber el %retenido y el %pasado en cada

tamiz, los cuales van desde 112 hasta 0.08mm.

B. Introducir en el programa los siguientes resultados de laboratorio: -

densidad seca, debe oscilar entre 2600-2700 kg/cm3.

densidad a granel, entre 1450-1600 kg/cm 3. % de absorción, sus valores

típicos están en un rango de 0.5-2.0%.

contenido de humedad (%), varía de 0-5% para agregado muy mojado.

C. Introducir en el programa otros datos que se requieren para el diseño.

Porcentaje de remplazo de cemento por materiales cementicios

suplementarios.

Densidad del cemento que se va a utilizar.




34

Densidad de los materiales cementicios suplementarios.

Porciento de aire incluido en la mezcla de hormigón.

Relación agua/cemento.

Porcentaje adicional de volumen de pasta de cemento entre 0-5% del

volumen de pasta.

Luego de introducir al programa esta serie de datos se obtiene como resultado la

dosificación de todos los materiales, arrojando las cantidades exactas y logrando

en su distribución el factor de empaque máximo. El Método de Toufar es de fácil

aplicación y muy práctico, recomendable para cualquier tipo de diseño de mezclas

de hormigón que utilice hasta tres tamaños de áridos diferentes.

1.6 Conclusiones parciales.

1. La producción de cemento de bajo carbono, es una vía efectiva para

disminuir la contaminación del medio ambiente, el gasto de energía y el

agotamiento de los recursos no renovables.

2. La sustitución de parte del clínker del cemento por MCS resulta ser muy

efectiva ya que se logra un producto más resistente físico y químicamente que un

cemento portland debido a la incorporación de reacciones puzolánicas a las

mezclas, las cuales favorecen un mejor refinamiento en la estructura de poros

dando lugar a una mejor compacidad e impermeabilidad en los hormigones.

3. El empleo de arcillas activadas térmicamente como material cementicio

suplementario resulta ser una vía efectiva y económica de reducción del clínquer

logrando hormigones tan resistentes y más duraderos que los confeccionados con

CP.




35

4. Para la fabricación hormigones empleando cementos ternarios debe

tenerse presente que el diseño no solo dependa de la relación agua/cemento, sino

también del tipo y la cantidad de adiciones que se le incorporen al mismo.

5. El Método de Toufar es un procedimiento basado en el empaquetamiento

máximo de la mezcla de hormigón, logrando la mayor compacidad y ahorro de

pasta de cemento. No obstante, tiene una limitante, considera que el árido

tiene forma redondeada.

CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO

DE BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.

36

CAPITULO II. DISEÑO Y PRODUCCION DE HORMIGON CON CEMENTO DE

BAJO CARBONO DE ORIGEN SEMI INDUSTRIAL.

2.1 Generalidades.

En el diseño de hormigón hidráulico se debe tener presente determinados

factores, entre los que se encuentran las cantidades mínimas de cemento, las

relaciones agua cemento según el criterio de durabilidad, la resistencia mecánica

de los áridos y los ajustes o correcciones por humedad. En este trabajo en

específico se utiliza un método de diseño automatizado, Toufar, método que

garantiza un empaquetamiento máximo según la granulometría de los áridos a

utilizar, proporcionando un contenido mínimo de vacío a ocupar por la pasta de

cemento.

Debido a que la fracción fina del árido a emplear presenta características físico

mecánicas muy bajas se decide solo tomar del Toufar las dosificaciones

gravimétricas de los áridos y fijar el contenido de cemento y la relación a/c según

lo que establece la norma cubana para cada tipo de agresividad. Luego de

realizado esta correlación de diseños se debe ajustar las dosificaciones mediante

las ecuaciones de volúmenes absolutos. Una vez realizados estos, se procede a la

confección de especímenes de hormigón que serán ensayados a compresión a los

3 días para verificar que el diseño fue satisfactorio antes de comenzar la

producción general de hormigón. La investigación fue realizada en 2 partes (una

en el Centro de investigación y desarrollo de la construcción (CIDC) donde se

produjeron 2 cementos, un P35 patrón y un CBC con 50 % de sustitución) y la

segunda en el laboratorio de materiales de la facultad de construcciones en la

UCLV donde se realizaron los diseños y producción de hormigones, así como los

ensayos de resistencia a compresión.

2.2 Materiales.



37

Para la fabricación de los hormigones se emplean 2 tipos de cementos, CBC con

50 % de sustitución y P35 así como 3 fracciones de áridos diferentes las cuales

van desde la fracción más gruesa 19.0-10 mm, media de 10-5 mm y fina de 5-

0mm. Las fracciones tanto gruesa como media proceden de la cantera de

Palenque y la fracción más fina de la cantera del Hoyo en Manicaragua, el aditivo

a emplear es Dynamon SX 32.

2.2.1 Cemento.

Los cementos empleados para la fabricación del hormigón fueron producidos en

CIDC los cuales consistían en dos variantes, una de CBC con 50 % de sustitución

del clínquer relación arcilla calcinada – caliza 2:1 y otra de P 35 como patrón. La

arcilla procede del yacimiento el Yigre en Yaguajay, y el clínquer de la fábrica de

cemento de Siguaney.

Figura 2.1 Cemento Portland. Figura 2.2 Cemento de bajo carbono.

Tabla 2.1 Características físico-químicas de los cementos.

Cemento Peso específico

(g/cm3)

Finura (%pasado

por 90 µ)

Superf.especí

(Blaine)

(cm2/g)

CP 3.14 10.84 2601.17

LC3 2.96 4.22 5666.56



38

Cemento SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 RI PPI CaO

libre

Patrón 18.88 3.14 5.09 61.07 1.27 3.32 4.09 3.42 1.54

LC3 27.54 1.79 3.78 49.21 2.54 3.14 22.27 8.61 1.64

2.2.2 Áridos.

Poseen tres fracciones de tamaño diferentes lo que facilita el empaque máximo y

un contenido mínimo de vacío, ya que presentan buena granulometría.

2.2.2.1 Árido grueso.

Caracterización físico granulométrica de la fracción gruesa de los áridos.

Figura 2.3 Árido Grueso.

Material: Fracción 19.0-10 mm.

Procedencia: Palenque.

Tabla 2.2 Ensayos físicos a la fracción gruesa.

Ensayos Resultado NC 251:2013



39

Material más Fino que 0.074 mm (%) 2.9 1.0

Peso Específico Corriente 2.54 2.5

Peso Específico Saturado 2.58

Peso Específico Aparente 2.7

Absorción (%) 1.72 3.0

Masa Volumétrica Suelta (kg/m3) 1408

Masa Volumétrica Compactada (kg/m3) 1529

Porciento de Huecos (%) 39.76

Tabla 2.3 Análisis granulométrico fracción gruesa.

Tamices

25.0

mm

19.0

mm

12.5

mm

9.5

mm

4.75

mm

2.36

mm

%

Pasado

100 87 33 5 2 0

Especificación

NC 251:2013

100 90-100 20-55 0-15 0-5



40

Figura 2.4 Curva granulométrica del árido grueso.

El árido grueso de la cantera de Palenque cumple con los requerimientos

establecidos en la “NC 251-2013 Áridos para hormigones hidráulicos. Requisitos”.

2.2.2.2 Granito

Caracterización físico granulométrica de la fracción media de los áridos.

Figura 2.5 Árido medio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

4.75 9.5 12.5 19.0 25.0

Pas

ad

o (

%)

Tamices (mm)

Árido grueso fraccion 19-9mm

Árido grueso

NC 251:2013 min

NC 251:2013 max



41

Material: Fracción10-5 mm.

Procedencia: Palenque.

Tabla2.4 Ensayos físicos a la fracción media.

Ensayos Resultado NC251:2013

Material más Fino que 0.074 mm (%) 2.8 1.0

Peso Específico Corriente 2.63 2.5

Peso Específico Saturado 2.68

Peso Específico Aparente 2.8





Tabla 2.5 Análisis granulométrico fracción media.

Tamiz No

12.5

mm

9.5

mm

4.75

mm

2.36

mm

1.18

mm

%

Pasado

100 99 17 3 2

NC

251:2013

100 85-100 15-35 0-10 0-5



42

Figura 2.6 Curva granulométrica del árido medio.

2.2.2.3 Árido fino.

Caracterización físico granulométrica de la fracción fina de los áridos.

Figura 2.7 Árido Fino.

Material: Fracción 5-0 mm.

Procedencia: El Hoyo.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.18 2.36 4.75 9.5 12.5

Pas

ad

0 (

%)

Tamices (mm)

Árido Medio fraccion 9-5mm

Árido medio

NC 251:2013 min

NC 251:2013 max



43

Tabla2.6 Ensayos físicos a la fracción fina.

Ensayos Resultado NC 251:2013

Material más Fino que 0.074 mm (%) 1.6 Observaciones.

Pesos Específicos Corriente 2.55 2.5

Pesos Específicos Saturado 2.61

Pesos Específicos Aparente 2.7





Módulo de Finura 2.90 2.20-3.58

Tabla 2.7 Análisis granulométrico fracción fina.

Tamiz No

9.5

mm

4.75

mm

2.36

mm

1.18

mm

600

μm

300

μm

150

μm

%

Pasado

100 99 79 58 38 24 12

NC

251:2013

100 90-

100

70-

100

45-80 25-60 10-30 2-10



44

Figura 2.8 Curva Granulométrica de árido fino.

Observaciones: En el ensayo T 200, la NC 251:2013 plantea que para hormigones

sometidos a la abrasión y a exposición al ambiente marino el porciento pasado por

el tamiz de 75 μm debe ser ≤ 3.0%.Para los restantes hormigones es ≤ 5%.(NC,

251-2013).

2.2.3 Agua.

El agua empleada es la que se utiliza en el laboratorio de materiales de la facultad

de construcciones de la UCLV, para la elaboración de hormigones y otros trabajos

de laboratorio, la cual se considera adecuada según lo especificado en la “NC

353-2004 Aguas para el amasado y curado del hormigón y los morteros.

Especificaciones".

2.2.4 Aditivo químico.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.150 0.300 0.600 1.180 2.360 4.75 9.50

Pas

ad

o (

%)

Tamices (mm)

Árido fino fraccion 0-5mm

Árido fino

NC 251:2013 min

NC 251:2013 max



45

El aditivo empleado es el Dynamon SX 32, es un aditivo líquido superplastificante

que logra una significativa reducción del agua de amasado garantizando una

elevada trabajabilidad y prestaciones mecánicas. Este aditivo es capaz de lograr

consistencia de S4 ò S5 según la norma EN 206- 1. Dynamon SX 32 es una

solución acuosa al 22,1% de polímeros acrílicos, exenta de formaldehidos, capaz

de dispersar eficazmente los gránulos del cemento, con componentes secundarios

que mejoran notablemente la cohesión.(MAPEI, 2000).

Figura 2.9 Aditivo Superplastificante Dynamon SX32.

Tabla 2.8 Datos técnicos del aditivo SX32.

Datos Técnicos.

Aditivo Dynamon SX 32

Consistencia Liquida

Color Ámbar

Densidad según ISO 785 (g/cm3) 1.08 + 0.02 + 200C

Residuo seco según EN 934-2 22.1 + 1.1

Acción principal Aumento y conservación de la trabajabilidad

y/o reducción de agua



46

Clasificación según EN 934-2 Reductor de agua de alta eficacia /

superfluidificante, prospero 11.1-11.2

Cloruros solubles en agua según EN

840-10 (%)

˂ 0.1 (Ausentes según EN 934-2)

pH según la ISO 4316 6.5 + 1

Conservación 12 meses en los envases originales no

abiertos, proteger del hielo

Clasificación de peligrosidad según

la directiva 1999/45/CE

Ninguna

2.3 Diseño experimental de la investigación.

La investigación se desarrolló en el laboratorio de materiales de la Facultad de

Construcciones de la UCLV, dado la experiencia del personal técnico y profesional

del centro en materia de ensayos al hormigón y la disponibilidad de los

instrumentos y métodos de trabajo.

En la experimentación se emplea un diseño factorial basado en un grupo de

variables establecidas en un entorno dado la experiencia de trabajos e

investigaciones anteriores con dichos constituyentes que se enuncian a

continuación.

2.3.1 Variables Independientes.

Contenido de cemento.

Se realizaron cuatro mezclas por cada edad establecida de 3,7 y 28 días, cada

una está basada en una dosificación previamente calculada. La cantidad de

cemento por amasada se obtuvo aplicando el método de diseño de mezclas de

Toufar. Tanto para las mezclas patrón como para las realizadas con CBC se

utilizaron las mimas dosificaciones.



47

Relación a/c.

Se fijó una relación a/c de 0.4, 0,45, 0,50 y 0.55 según el tipo de hormigón a en

función del medio ambiente que interactúa según lo estipulado por NC 120: 2014

Hormigón hidráulico especificaciones.

Cantidad de aditivo. El empleo del tipo y contenido de aditivo Dynamon RX32 estuvo en dependencia

del asentamiento obtenido en las mezclas, utilizando el método del cono de

Abrams.

2.3.2 Variables dependientes

Asentamiento.

Se midió el asentamiento como efecto del aditivo en la fluidez de las mezclas

mediante el cono de Abrams según la NC 174: 2002 (Hormigón fresco. Medición

del asentamiento por el cono) y se establece un intervalo del asentamiento entre

7 y 9 cm.

Resistencia a compresión.

La resistencia del hormigón determinada mediante las especificaciones de la

Norma NC 244:2005 (Hormigón hidráulico resistencia a compresión), es un

resultado que depende de todo el proceso, materiales, método empleado y

variables, y fue analizada a los 3, 7 y 28 días.

2.3.3 Procedimientos.

Selección de los constituyentes del hormigón.

Se seleccionan los materiales constituyentes del hormigón, que en este caso

fueros tres fracciones de áridos, cemento, agua y aditivo químico.

Diseños de mezclas.

Los diseños de mezclas se realizan por el método de Toufar donde se obtienen

las dosificaciones gravimétricas de los materiales para un metro cúbico.



48

Elaboración de las mezclas de hormigón.

Primeramente se pesan los constituyentes realizando las correcciones por

humedad correspondientes a cada material, luego se realiza el mezclado de los

mismos en una hormigonera de eje vertical con un tiempo de mezclado de 3

minutos.

Cheque de asentamiento.

Se realizó a través del ensayo del cono de Abrams según lo establece la NC

174:2002.

Toma de muestras.

Se realizó llenando moldes cilíndricos de 10x20cm a razón de dos capas iguales

compactadas con vibrados de inmersión según lo estimado en la NC 221:2002.

Curado de los especímenes.

El curado se realiza una vez desmoldados las probetas pasadas 24 horas + 8 se

sumergen en agua según lo estipula la NC 221:2002.

2.4 Diseño de mezclas. EL diseño de mezclas para obtener las distintas proporciones de los materiales

componentes del hormigón fue realizado por el método de Toufar. De este diseño

se tomaron solo las dosificaciones gravimétricas de los áridos teniendo en cuenta

su granulometría, su porciento de absorción, contenido de humedad así como sus

pesos específicos sueltos y compactados, las relaciones agua /cemento y las

cantidades de cementos fueron fijadas según lo que establece la norma cubana

para cada tipo de ambiente agresivo. Para poder realizar esta combinación de

diseños se realizó un ajuste en las cantidades de áridos a utilizar según las

cantidades de cemento fijadas a través de las ecuaciones de volúmenes

absolutos. Los resultados de los cuatro diseños de mezclas se muestran a

continuación.



49

Figura 2.10 Diseños de mezclas del Toufar.

Las cantidades de cementos obtenidas aplicando el método Toufar no se

adecuan a las limitantes en cuanto al contenido de cemento que propone la norma



50

cubana NC 120:2014 según la agresividad para estructuras de hormigón

sometidas a diferentes niveles de agresividad: muy alta a baja, de ahí que se

exigió el ajuste de las cantidades de cementos y áridos para las diferentes

mezclas.

Para los diferentes niveles de agresividad y un cemento Portland P 35 a

continuación se establece la dosificación de las mezclas.

Tabla 2.9 Dosificación gravimétrica kg/m3 de hormigón con CP.

Tipo

mezcla

Agresividad

NC

120:2014

f'c

(Mpa)

Relación

a/c

Cem

(kg)

Aditivo

SX-32

(kg)

A.fino

(kg)

A.Medio

(kg)

A.Grueso

(kg)

Agua

(kg)

H1 Muy Alta 35.0 0.40 430 3.87 634 352 775 172

H2 Alta 30.0 0.45 405 3.65 651 362 796 182

H3 Media 25.0 0.50 375 3.4 671 373 820 188

H4 Baja 20.0 0.55 345 3.1 690 384 844 190

Los diseños de mezclas para los hormigones elaborados con CBC solo variaron

en cuanto a la dosis de aditivo empleada, la cual fue del 2% del peso del cemento.

Tabla 2.10 Dosificación gravimétrica kg/m3 de hormigón con LC3.

Tipo

mezcla

Agresividad

NC

120:2014

f'c

(Mpa)

Relación

a/c

Cem

(kg)

Aditivo

SX-32

(kg)

A.fino

(kg)

A.Medio

(kg)

A.Grueso

(kg)

Agua

(kg)

H1 Muy Alta 35.0 0.4 430 8.6 634 352 775 172

H2 Alta 30.0 0.45 405 8.1 651 362 796 182

H3 Media 25.0 0.5 375 7.5 671 373 820 188

H4 Baja 20.0 0.55 345 6.90 690 384 844 190



51

2.5 Preparación, mezclado, transporte y vertido de los constituyentes del

hormigón.

2.5.1 Ensayos físico-mecánicos y químicos utilizados.

Tabla2.11 Producción de hormigón.

| Resistencia a

la

compresión

Sitios de Exposición. Prof.

Carb.

Permeabilidad al

aire

10 x 20 cm 25x20

cm

10x20

cm

15x30

cm

10x20

cm

15x30

cm

15x15x15

cm

Mezclas

LC3

3d 7d 28d 28d 0d 3d 0d 3d 0d 3d

H1 3 3 3 2 6 2 2 2 3 3 1 1

H2 3 3 3 2 6 2

H3 3 3 3

H4 3 3 3 2 6 2

CPO

H1 3 3 3 2 6 2 2 2 3 3 1 1

H2 3 3 3 2 6 2

H3 3 3 3

H4 3 3 3 2 6 2

Total 24 24 24 12 36 12 4 4 6 6 2 2

Volumen

(l )

113 420 13 64 14

Volume

Total

625 litros



52

En este trabajo se analizó la resistencia a la compresión a las edades de 3, 7 y 28

días de edad.

2.5.2 Elaboración de hormigón.

Las mezclas producidas se realizaron en una hormigonera de eje horizontal con

una capacidad de producción de 25 litros. Cada amasada se realizó con un

volumen de solo 7 litros debido a que por día se elaboró el hormigón de solo una

edad por serie, por ejemplo el primer día se ejecutó el hormigonado de la serie

LC3 con la edad de 28 días de curado o sea doce probetas en total , 3 por mezcla.

Figura 2.11 Hormigonera de eje Horizontal.

2.5.3 Chequeo de consistencia.

Se realizó la medición del asentamiento por el método del cono de Abrams a cada

una de las amasadas. Para ello se produjo a llenar el cono en tres capas

compactadas cada una con varilla mediante 25 golpes según establece la norma

“NC 174-2002 Hormigón fresco. Medición del asentamiento por el cono”. El

procedimiento se realizaba para cada mezcla hasta lograr que esta tuviese el

asentamiento fijado el cual era en un rango de 7-9 cm.



53

Figura 2.12 Ensayo de consistencia con el Cono de Abrams.

2.5.4 Evaluación de especímenes del hormigón endurecido.

Para la evaluación de los especímenes se emplearon moldes cilíndricos de 10 x

20, a los cuales se les agregó el hormigón manualmente a razón de dos capas

iguales, para ser compactado con un vibrador de inmersión de diámetro 0,25 d (no

mayor a 40 mm) y de una frecuencia mayor o igual a 7000 r.p.m. (150 Hz) durante

aproximadamente 5 segundos, según lo establecido en ASTM C 31/C 31M – 03ª

Práctica Normalizada para la preparación de las probetas para ensayo del

hormigón. Los moldes se retiraron al día siguiente para ser utilizados con el

próximo hormigón.

Figura 2.13 Moldes Cilíndricos 10x20.



54

Figura 2.14 Especímenes de hormigón endurecidos.

2.5.5 Curado de las probetas.

El curado de las probetas se realizó sumergiendo los especímenes desmoldados

una vez pasadas la 24 + 8 horas. El tiempo de curados se extendía hasta que el

hormigón alcanzara las edad de tres, siete, y veintiocho días respectivamente.

Figura 2.15 Curado de especímenes.

2.5.6 Resistencia mecánica a compresión a edades de 3; 7 y 28 días.

El comportamiento mecánico de los hormigones fabricados se evaluó mediante los

ensayos a compresión realizados en el laboratorio de materiales de la Facultad de

Construcciones de la UCLV. Para ello se tomaron 3 probetas de 10x20cm por

cada serie y por cada mezcla para ser ensayadas a los 3; 7 y 28 días resultando

un total de 72 especímenes. Los requerimientos del ensayo a compresión se

encuentran en NC 724-2009 Ensayos del hormigón. Resistencia del hormigón en



55

estado endurecido. Para poner en práctica el ensayo se colocaron las probetas

cilíndricas centradamente en el plato de la máquina y se le aplicó una fuerza con

carga continua a razón de 1mm x minuto hasta su rotura.

Figura 2.16 Ensayo de resistencia a compresión.

2.6 Conclusiones parciales. 1. La adecuada granulometría de los áridos garantiza el empaquetamiento

máximo de la mezcla dando como resultado un menor contenido de vacío,

el cual sería ocupado por la pasta de cemento y por tanto un menor

contenido de cemento a emplear; siempre y cuando los áridos garanticen

una adecuada resistencia mecánica.

2. La resistencia mecánica de las mezclas diseñadas por Toufar dependen en

gran medida de la resistencia de los áridos empleados y los contenidos de

cemento que estas proponen no cumplen con las especificaciones de la

norma cubanas.

3. En las mezclas elaboradas con cemento de bajo carbono la dosis de

aditivo fue duplicada debido a que estas presentan mayor absorción de



56

agua gracias a la elevada superficie específica que presentan dichos

cementos.

4. El empleo de aditivos súper plastificantes en mezclas con relación a/c

bajas garantiza la adecuada laborabilidad o trabajabilidad del hormigón,

garantizando su adecuada colocación y compactación así como una

elevada resistencia mecánica.

CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

57


En el presente capítulo se exponen los resultados de resistencia a compresión

arrojados por los especímenes confeccionados con CBC y cemento Portland para

cuatro diseños de mezclas, las cuales fueron ensayadas a las edades de tres,

siete y veintiocho días respectivamente. En cada diseño se fija una relación agua

cemento y una resistencia determinada la cual sirve de base de comparación para

los resultados obtenidos.

3.1 Resultados de los ensayos realizados al hormigón fresco.

Asentamiento utilizando el cono de Abram.

Uno de los ensayos realizados al hormigón fresco fue el de consistencia mediante

el cono de Abram en el cual se pretendían lograr asentamiento fijados entre 7 y 9

cm logrando consistencias entre plásticas y blandas. Para el mismo fue necesario

aplicarles dosis de aditivos el cual varió para cada tipo de cemento y no para el

tipo de mezcla o sea el porciento de aditivo con respecto a la cantidad de cemento

a emplear se mantuvo constante en las cuatro mezclas de un mismo cemento ; a

continuación se exponen los resultados.

Tabla 3.1 Asentamientos en mezclas con LC3.

Mezclas

LC3

Asentamientos % Aditivo Volumen (g)

H1 7.5 8 7 2 60.2

H2 7.6 7.8 8 2 56.8

H3 8 7.5 8 2 52.6

H4 9 8.5 9 2 48.4


58

Tabla 3.2 Asentamientos en mezclas con CP

Figura 3.1 Asentamiento de las mezclas.

3.2 Resultado de los ensayos de resistencia a compresión.

2

0,9

0

0,5

1

1,5

2

2,5

70-90

% D

E A

DIT

IVO

ASENTAMIENTO

Contenido del aditivo SX-32 para las mezclas

LC3

CP

Mezclas

CP

Asentamientos % Aditivo Volumen (g)

H1 8 8.5 9 0.9 27.1

H2 8.2 8 8.5 0.9 25.6

H3 8 8 8.5 0.9 23.8

H4 8.7 8.5 8 0.9 21.7


59

Para analizar los resultados se tomaron 3 probetas por mezcla para cada uno de

los cementos empleados para ser ensayadas a 3, 7 y 28 días. A continuación se

muestran las tablas con dichos resultados.

Tabla 3.3 Ensayos de resistencia a compresión del hormigón.

Hormigón LC3

fć 3 (MPa)

Hormigón CP

fć 3 días (MPa)

Probetas H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4

1 14 11 8

7 22 18 14 12

2 14 11 7 7 24 17 15 12

3 14 9 8 7 24 17 14 12

Valor

Medio

14 10.33 7.66 7 23.33 17.33 14.33 12

Desv

estándar

0 1.154 0.57 0 1.154 0.577 0.577 0


Hormigón LC3

fć 7 días (MPa)

Hormigón CP

fć 7 días (MPa)


1 20,0 17,0 16,0 12,0 30,0 22,0 18,0 14,0

2 20,0 16,0 15,0 12,0 31,0 24,0 20,0 15,0

3 22,0 16,0 14,0 12,0 29,0 23,0 18,0 15,0

20,6 16,3 15,0 12,0 30,0 23,0 18,6 14,7 Media

Desv. 1,2 0,6 1,0 0,0 1,0 1,0 1,2 0,6

estándar


60


Serie LC3 fć a los 28 días (MPa) Serie CP fć a los 28 días

(MPa)


1 35 28 22 18 34 28 23 20

2 37 27 22 19 35 28 23 20

3 37 26 23 19 33 28 23 19

Valor

Medio 36,3333333 27 22,333333 18,666667 34 28 23 19,666667

Desv

estándar 1,1547 1 0,5773503 0,5773503 1 0 0 0,5773503

A continuación se muestran los resultados de resistencia a compresión en la

siguiente tabla resumen.

Tabla 3.6 Resistencia a 3 días de curado.

fć a los 3 días(MPa)

Mezclas H1

w/c=0.4

H2

w/c=0.45

H3

w/c=0.5

H4

w/c=0.55

Series CP 23 17 14 12

Series LC3 14 10 8 7


61

Figura 3.2 Resistencia a compresión a tres días de curado.


23

17

1412

14

108

7

0

5

10

15

20

25

H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55

F´ C

(MP

A)

MEZCLAS

Resistencia a compresión de las mezclas

Serie CP

Serie LC3


H1

w/c=0.4

H2

w/c=0.45

H3

w/c=0.5

H4

w/c=0.55

Series CP 30 23 19 15

Series LC3 21 16 15 12


62

Figura 3.3 Resistencia a compresión a siete días de curado.


30

23

19

15

21

16 1512

0

5

10

15

20

25

30

35

H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55

F´C

(MP

A)

Mezclas


Serie CP Serie LC3


H1

w/c=0.4

H2

w/c=0.45

H3

w/c=0.5

H4

w/c=0.55

Serie CP 34 28 23 20

Serie LC3 36 27 22 19


63

Figura 3.4 Resistencia a compresión a 28 días de curado.

A continuación se muestra el comportamiento para cada mezcla según la edad y

el tipo de cemento empleado.

34

28

2320

36

27

2219

0

5

10

15

20

25

30

35

40

H1 w/c=0.4 H2 w/c=0.45 H3 w/c=0.5 H4 w/c=0.55

F´C

(MP

A)

Mezclas


Serie CP Serie LC3

23

30

34

14

21

36

0

5

10

15

20

25

30

35

40

3dias 7dias 28dias

F´C

(MP

A)

Dias de curado

Mezcla H1 w/c=0.4

CP

LC3


64

Figura 3.5 Resistencia a compresión de la mezcla H1 a tres, siete y

veintiocho días de curado.



17

23

28

10

16

27

0

5

10

15

20

25

30

3dias 7dias 28dias

F´C

(MP

A)

Dias de curado

Mezcla H2 w/c=0.45

CP

LC3

14

19

23

8

15

22

0

5

10

15

20

25

3dias 7dias 28dias

F´C

(MP

A)

Dias de curado

Mezcla H3 w/c=0.5

CP

LC3


65





3.3 Conclusiones parciales.

1 Teniendo en cuenta que la arcilla presenta mayor superficie específica que

el clínquer, fue necesario emplear mayor cantidad de aditivo en las mezclas

elaboradas con cemento de bajo carbono, para lograr la consistencia fijada

en el hormigón, manteniendo la misma relación agua cemento.

2 Aplicando una proporción de aditivo de 2% del peso del cemento en las

mezclas de hormigón, elaboradas con cemento de bajo carbono, se

obtuvieron asentamientos entre 7 y 9cm en el Cono de Abrams.

12

15

20

7

12

19

0

5

10

15

20

25

3dias 7dias 28dias

F´C

(MP

A)

Dias de curado

Mezcla H4 w/c=0.55

CP

LC3


66

3 Las mezclas elaboradas con cemento de bajo carbono a los tres y siete

días presentan menor resistencia mecánica que las elaboradas con

cemento Portland.

4 A edades superiores a 28 días las mezclas realizadas con LC3 deberían

superar en resistencia a compresión a las confeccionadas con CP.

CONCLUSIONES GENERALES

67

CONCLUSIONES GENERALES.

1. El empleo de un cemento de bajo carbono LC3 en Cuba, podría representar

mejora de la disponibilidad de un nuevo cemento para la población, el

ahorro en costos de producción y comercialización en la red nacional y la

reducción de emisiones de CO2 a la atmosfera para la industria cementera

cubana.

2. Los hormigones producidos con el cemento de bajo carbono presentan

mayor demanda de agua, lo cual podría estar asociado a la alta superficie

específica, de mantener relaciones a/c bajas en las mezclas de hormigón

exige el empleo de aditivos fluidificantes de tercera generación y de

superiores dosis con respecto a las mezclas con cemento Portland.

3. El comportamiento de la resistencia a compresión de los hormigones a

base de cemento de bajo carbono en edades tempranas es menor asociado

a la hidratación y endurecimiento del cemento LC3 en las mezclas.

4. El diseño de mezclas mediante el método Toufar exige del empleo de las

diferentes granulometrías de los áridos, para lograr las proporciones

adecuadas que mejore el empaquetamiento de los áridos.

5. El comportamiento de la resistencia a compresión de los hormigones a

base de cemento de bajo carbono a edad de 28 días, es similar a los

confeccionados con CP, incluso superior en las mezclas con relación a/c

=0.4.

RECOMENDACIONES.

68

RECOMENDACIONES.

1. Evaluar en el estudio de laboratorio la influencia del tipo y contendido de

aditivos que mejore la compatibilidad y comportamiento en la pasta de

cemento y del hormigón fresco.

2. Realizar ensayos de resistencia mecánica a una edad superior (56,90, 365

días), a la vez que permitan evaluar la durabilidad y permeabilidad en el

tiempo.

3. Realización de los trabajos de hormigonado en pequeñas plantas para

evaluar el comportamiento de mayores volúmenes de mezclas y pruebas.

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69

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Anexos.

76

Anexos.

Anexo1.Molino de bolas del CIDC.

Anexo2.Llenado de Moldes, compactacion y acabado.

Anexos.

77

Anexo3.

Ensayo de consistencia por el cono de Abrams.

Anexo4.Ensayo de Resistencia a compresion.

Anexos.

78

Anexo 5.Medicion del pH del agua del tanque de curado.

Anexo 6.Resistencia a compresión de las pastas de cemento a siete días.

Cemento f `c (MPa)

CPO

40.0 44.63

40.0 46.875 48.125 48.125

LC3

33.33 30.83 30.625

30.625

título: diseño y fabricación de hormigones hidráulicos con

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