Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl 2.1.- Fundamentos del Hormigón
El hormigón es mezcla homogénea compuesta por una pasta adhesiva de cemento Portland y agua, que mantiene ligadas a las partículas de material inerte, denominados agregados finos y gruesos.
La pasta adhesiva de agua y cemento se denomina pasta cementicia.
La mezcla de pasta cementicia y arena se denomina mortero.
La mezcla de mortero con agregado grueso se denomina hormigón. En definitiva el hormigón está conformado por:
Pasta cementicia: Cemento y arena
Agregado fino: arena
Agregado grueso: canto rodado o piedra partida.
El cemento se obtiene a partir de la cocción a 1350°C de piedras calcáreas que contengan más de un 22% de arcilla, obteniéndose el clinker, quien debe ser luego finamente pulverizado para que adquiera poder aglomerante. Está constituido por aluminatos tricálcicos, silicatos tricálcicos y silicatos bicalcicos, los que reaccionan en ese orden.
El hormigón en su primera fase de elaboración se denomina hormigón fresco pues se encuentra en estado líquido aunque en el mismo instante en que el cemento toma contacto con el agua se inicia el proceso químico de hidratación del cemento, el que en su primera fase se caracteriza por el pasaje paulatino a estado sólido.
La rapidez con la que se inicia el fragüe impediría una adecuada manipulación y colocación del hormigón en obra, por lo que los cementos utilizados poseen en su
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl composición un 3% de yeso, el que tiene un efecto retardante provocando una demora de 1,5 y 2,5 horas en el comienzo del fraguado
2.1.1.- Características físicas del hormigón
Las principales características físicas del hormigón, en valores aproximados, son:
Densidad: en torno a 2.350 kg/m3
Resistencia a compresión: de 150 a 500 kg/cm2 (15 a 50 MPa) para el hormigón ordinario. Existen hormigones especiales de alta resistencia que alcanzan hasta 2.000 kg/cm2 (200 MPa).
Resistencia a tracción: proporcionalmente baja, es del orden de un décimo de la resistencia a compresión y, generalmente, poco significativa en el cálculo global.
Tiempo de fraguado: dos horas, aproximadamente, variando en función de la temperatura y la humedad del ambiente exterior.
Tiempo de endurecimiento: progresivo, dependiendo de la temperatura, humedad y otros parámetros.
o De 24 a 48 horas, adquiere la mitad de la resistencia máxima; en una semana 3/4 partes, y en 4 semanas prácticamente la resistencia total de cálculo.
Dado que el hormigón se dilata y contrae en magnitudes semejantes al acero, pues tienen parecido coeficiente de dilatación térmico, resulta muy útil su uso simultáneo en obras de construcción; además, el hormigón protege al acero de la oxidación al recubrirlo.
2.1.2.- Consistencia del hormigón fresco
La consistencia es la mayor o menor facilidad que tiene el hormigón fresco para deformarse y consiguientemente para ocupar todos los huecos del molde o encofrado. Influyen en ella distintos factores, especialmente la cantidad de agua
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl de amasado, pero también el tamaño máximo del árido, la forma de los áridos y su granulometría.
La consistencia se fija antes de la puesta en obra, analizando cual es la más adecuada para la colocación según los medios que se dispone de compactación. Se trata de un parámetro fundamental en el hormigón fresco.
Entre los ensayos que existen para determinar la consistencia, el más empleado es el cono de Abrams. Consiste en llenar con hormigón fresco un molde troncocónico de 30 cm de altura. La pérdida de altura que se produce cuando se retira el molde, es la medida que define la consistencia.
Los hormigones se clasifican por su consistencia en secos, plásticos, blandos y fluidos tal como se indica en la tabla siguiente:
Consistencia de los hormigones frescos
Consistencia Asiento en cono de
Abrams (cm) Compactación
Seca 0-2 Vibrado
Plástica 3-5 Vibrado
Blanda 6-9 Picado con barra
Fluida 10-15 Picado con barra
Líquida 16-20 Picado con barra
2.2.- Mezcla del Hormigón, Procedimiento y Control
Es muy importante conseguir la mezcla óptima en las proporciones precisas de áridos de distintos tamaños, cemento y agua. No hay una mezcla óptima que sirva para todos los casos. Para establecer la dosificación adecuada en cada caso se
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl debe tener en cuenta la resistencia mecánica, factores asociados a la fabricación y puesta en obra, así como el tipo de ambiente a que estará sometido.
Hay muchos métodos para dosificar previamente el hormigón, pero son solo orientativos. Las proporciones definitivas de cada uno de los componentes se suelen establecer mediante ensayos de laboratorio, realizando correcciones a lo obtenido en los métodos teóricos.
Se señalan brevemente los aspectos básicos que hay que determinar:
La Resistencia característica (fck) se fija en el proyecto.
La selección del tipo de cemento se establece en función de las aplicaciones del hormigonado (en masa, armado, pretensado, prefabricado, de alta resistencia, desencofrado rápido, hormigonados en tiempo frío o caluroso, etc.) y del tipo de ambiente a que estará expuesto.
El tamaño máximo del árido interesa que sea el mayor posible, pues a mayor tamaño menos agua necesitará ya que la superficie total de los granos de áridos a rodear será más pequeña. Pero el tamaño máximo estará limitado por los espacios que tiene que ocupar el hormigón fresco entre dos armaduras cercanas o entre una armadura y el encofrado.
La consistencia del hormigón se establece en función del tamaño de los huecos que hay que rellenar en el encofrado y de los medios de compactación previstos.
La cantidad de agua por metro cúbico de hormigón. Conocida la consistencia, el tamaño máximo del árido y si la piedra es canto rodado o de machaqueo es inmediato establecer la cantidad de agua que se necesita.
La relación agua/cemento depende fundamentalmente de la resistencia del hormigón, influyendo también el tipo de cemento y los áridos empleados.
Conocida la cantidad de agua y la relación agua /cemento, determinamos la cantidad de cemento.
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Conocida la cantidad de agua y de cemento, el resto serán áridos.
Determinar la composición granulométrica del árido, que consiste en determinar los porcentajes óptimos de los diferentes tamaños de áridos disponibles. Hay varios métodos, unos son de granulometría continua, lo que significa que interviene todos los tamaños de áridos, otros son de granulometría discontinua donde falta algún tamaño intermedio de árido.
Determinada la dosificación más adecuada, en la planta de hormigón hay que medir los componentes, el agua en volumen, mientras que el cemento y áridos se miden en peso.
Los materiales se amasan en hormigonera o amasadora para conseguir una mezcla homogénea de todos los componentes. El árido debe quedar bien envuelto por la pasta de cemento. Para conseguir esta homogeneidad, primero se vierte la mitad de agua, después el cemento y la arena simultáneamente, luego el árido grueso y por último el resto de agua.
Para el transporte al lugar de empleo se deben emplear procedimientos que no varíen la calidad del material, normalmente camiones hormigonera. El tiempo transcurrido no debe ser superior a hora y media desde su amasado. Si al llegar donde se debe colocar el hormigón, este ha empezado a fraguar debe desecharse.
2.2.1.- Puesta en obra
En el hormigón armado se emplea habitualmente acero de alta resistencia de adherencia mejorada o barras corrugadas. El corrugado está normalizado por la forma del resalto en el perímetro de la barra, su altura, anchura y separación. a) Colocación de armaduras
Las armaduras deben estar limpias y sujetarse al encofrado y entre sí de forma que mantengan la posición prevista sin moverse en el vertido y compactación del
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl hormigón. Para ello se colocan calzos o distanciadores en número suficiente que permitan mantener la rigidez del conjunto.
Las distancias entre las diversas barras de armaduras deben mantener una separación mínima que está normalizada para permitir una correcta colocación del hormigón entre las barras de forma que no queden huecos o coqueras durante la compactación del hormigón.
De igual manera el espacio libre entre las barras de acero y el encofrado, llamado recubrimiento, debe mantener una separación mínima, también normalizada, que permita el relleno de este espacio por el hormigón. Este espacio se controla por medio de separadores que se colocan entre la armadura y el encofrado.
b) Colocación y compactación
El vertido del hormigón fresco en el interior del encofrado debe efectuarse evitando que se produzca la segregación de la mezcla. Para ello se debe evitar verterlo desde gran altura, hasta un máximo de dos metros de caída libre y no se debe desplazar horizontalmente la masa.
Se coloca por capas o tongadas horizontales de espesor reducido para permitir una buena compactación (hasta 40 cm en hormigón en masa y 60 cm en hormigón armado). Las distintas capas o tongadas se consolidan sucesivamente, trabando cada capa con la anterior con el medio de compactación que se emplee y sin que haya comenzado a fraguar la capa anterior.
Para conseguir un hormigón compacto, eliminando sus huecos y para que se obtenga un completo cerrado de la masa, hay varios sistemas de consolidación. El picado con barra, que se realiza introduciéndola sucesivamente, precisa hormigones de consistencias blandas y fluidas y se realiza en obras de poca importancia resistente. La compactación por golpeo repetido de un pisón se emplea en capas de 15 o 20 cm de espesor y mucha superficie horizontal. La
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl compactación por vibrado es la habitual en hormigones resistentes y es apropiada en consistencias secas.
El vibrador más utilizado es el de aguja, un cilindro metálico de 35 a 125 mm de diámetro cuya frecuencia varía entre 3.000 y 12.000 ciclos por minuto. La aguja se dispone verticalmente en la masa de hormigón fresco, introduciéndose en cada tongada hasta que la punta penetre en la capa anterior y cuidando de no tocar las armaduras pues la vibración podría separar la masa de hormigón de la armadura. Mediante el vibrado se reduce el aire contenido en el hormigón sin compactar que se estima del orden del 15 al 20% hasta un 2-3% después del vibrado.
2.3.- Medición y Mezclado
2.3.1.- Dosificación
Se puede afirmar que un hormigón está bien dosificado si satisface los requerimientos de: • Resistencia • Durabilidad • Trabajabilidad • Económica a) Resistencia
La reacción química entre el cemento y el agua forma un gel de cemento, solución coloidal que da lugar al enlace firme entre los agregados. La resistencia viene dada básicamente por los geles de cemento, producto de la hidratación, por lo tanto, será conveniente que haya el mayor volumen posible de ellos, lo que se consigue cuando el agua es de aproximadamente el 40%, cantidad necesaria para lograr la hidratación de todo el cemento.
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl El agua que excede el 40% no interviene en la reacción química, ni actúa siquiera como vehículo para la misma, por lo que se evapora rápidamente, dejando poros y conductos capilares que debilitan el hormigón. Se deduce entonces que a mayor cantidad de agua, habrá menos volumen de geles de cemento, por lo tanto menor volumen resistente. Si disminuye el agua habrá menos volumen de vacíos, mayor volumen de geles de cemento y mayor resistencia. Como conclusión podemos afirmar que “la resistencia depende de la relación agua cemento. Cualquiera sea el tipo y cantidad de los agregados”.
Si la resistencia depende de la relación agua cemento ¿No sería suficiente la pasta cementicia?
La hidratación es un proceso químico exotérmico, es decir con gran desprendimiento de calor y aumento de temperatura, lo que provoca un incremento de volumen. Su ulterior enfriamiento ocasionaría tensiones de gran magnitud como consecuencia de la contracción, las que no podrían ser soportadas por la pasta cementicia, dando lugar a fisuras de todo tipo. El agregado de material inerte de granulometría fina y gruesa que no interviene en la reacción química, reduce estas fisuras a valores mínimos compatibles con la función del hormigón, pues hay menos cemento, además la cantidad de cemento necesaria en la pasta cementicia seria de 1600 Kg./m3, cantidad absolutamente antieconómica, mientras que con el uso de la arena y el canto rodado se reduce en el hormigón a 300 Kg./m3 aproximadamente, o sea a menos de la quinta parte.
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl b) Durabilidad:
Esta depende de la capacidad del hormigón para resistir la acción de los agentes agresivos que hay en el ambiente que lo rodea.
Los hormigones con una baja relación agua cemento, tienen mayor durabilidad, pues al poseer menos agua tienen también menor cantidad de poros y vasos capilares que se forman durante su evaporación, y que constituyen los conductos por donde pueden penetrar los agentes agresivos cuando el hormigón no esta protegido de los factores climáticos, y atacar a las armaduras. Por ello es que en condiciones severas o extremas deben utilizarse relaciones agua-cemento bajas, y en condiciones moderadas o protegidas estas relaciones pueden incrementarse, según se observa la tabla siguiente:
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl c) Trabajabilidad y Economía:
Se dice que una mezcla es trabajable cuando en estado fresco el hormigón puede ser transportado sin que se separen los componentes, y una vez colocado llega a envolver completamente las armaduras, llenando todos los huecos.
Para que ello sea posible es necesario además que la mezcla posea una adecuada fluidez, la que se mide por la consistencia, que es el grado de facilidad con que una mezcla puede cambiar de forma. Se dice entonces que una mezcla tiene plasticidad cuando con su consistencia puede ser fácilmente moldeada y luego cambiar de forma si se saca lentamente del molde, al cabo de un corto tiempo.
Por eso no puede considerarse como mezcla de consistencia plástica ni las muy secas, pues se disgregan al pretender amasarlas, ni las muy fluidas, porque se agregan los componentes, y el agregado grueso queda envuelto por agua en lugar de mortero.
La consistencia se determina por el grado de asentamiento, que puede medirse por diversos métodos, siendo el mas usual el de cono de abrams, para lo cual se utiliza un tronco de cono de chapa de las dimensiones indicadas.
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl El molde tronco cónico se llena con una mezcla en 3 capas iguales, compactadas cada una de ellas con una varilla de acero liso de 60 cm. De largo mediante 25 golpes energéticos que atraviesan la capa a compactar pero no las inferiores. Cuando se llega a la parte superior, se enrasa con cuchara, dejando el hormigón liso.
Se levanta el molde tomándolo de las manijas hasta dejar totalmente libre la mezcla. Luego se utiliza una regla horizontal de comparación apoyada sobre el molde tronco cónico, a 30 cm. de la base, y se mide con otra regla puesta verticalmente el asiento producido.
Con la medida del asentamiento se establece la siguiente escala de consistencia que nos da el estado de fluidez de la mezcla. La consistencia a utilizar dependerá entonces del grado de dificultad para su colocación.
En las losas, donde la colocación es sencilla, pueden utilizarse asentamientos bajos, al igual que en pavimentos.
En vigas esbeltas o columnas, con poco espacio entre armaduras, el asentamiento será mayor.
En bases y fundaciones el asentamiento será bajo. Como guía, puede utilizarse la siguiente tabla, que tiene en cuenta además el tamaño máximo del agregado grueso a utilizar.
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl 2.4.- Supervisión antes de la Colocación
Para obtener un buen hormigón es fundamental contar con materiales de buena calidad y que efectúe su transporte y almacenamiento cuidadosamente.
a) Cemento: al adquirir el cemento procure que este sea de fabricación reciente. Rechace sacos rotos o con señas de humedad, como marcas desteñidas y puntas endurecidas. El cemento se debe mantener protegido de la intemperie al transportarlo y almacenarlo. Se debe evitar que los sacos se mojen o se humedezcan a causa del rocío, o al quedar en contacto con el suelo. Esto se logra colocando los sacos en una bodega ventilada y con piso seco, separado del terreno natural. ( Debe circular aire bajo los sacos). Solo para almacenamiento de corta duración ( no superiores a una semana) y en periodo de verano, el cemento se puede dejar con una protección mínima consistente en una carpa impermeable ( polietileno) y un entablado que lo separe del suelo.
b) Agua: si el agua no proviene de la red, se debe mantener en tambores u otros recipientes limpios, libres de aceites, grasas, sustancias químicas, etc. para evitar toda contaminación.
c) Aridos: deben estar constituidos por granos duros, limpios, libres de polvo, arcilla, limo, materia orgánica, sales solubles y películas de aceite o grasa. La arena y el ripio, si no es factible su almacenamiento en depósitos o compartimentos, se deben amontonar separados, evitando que se mezclen entre sí e impidiendo que se contaminen con el suelo natural. Un buen acopio se consigue colocándolos sobre una superficie de hormigón o de madera, o bien puede ripiarce el terreno natural para proporcionar drenaje y evitar contaminación. Para evitar riesgo de segregación, los montones tienen que ser varios de baja altura, en vez de uno solo muy alto
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl d) Aditivos: mantenerlos en bases bien cerrados y claramente identificados,
en una bodega bajo techo.
e) Aire: debe tener una cierta temperatura superior a los 5°c para que el cemento fragüe.
2.5.- Supervisión Durante de la Colocación
a) Dosificación: Implica establecer las proporciones adecuadas de los materiales que componen el hormigón a fin de obtener la trabajabilidad, resistencia y durabilidad requeridas. La dosificación se debe basar en múltiples factores tales como: que elementos se van a hormigonar (cimientos, radieres, pilares), que condiciones ambientales deberán soportar ( humedad, congelación), que materiales y procedimientos de mezclado, colocación y curado se van a emplear en la obra.
b) Relación agua-cemento: Ambos materiales forman una pasta que al endurecer actúa como aglomerante, manteniendo unidas las partículas de arena y agua. A media que aumenta la dosis de agua la pasta de cemento se diluye, disminuyendo su resistencia y durabilidad. Considerando un hormigón trabajable, mientras menos agua tenga será más resistente y durable
c) Cono de Abrams: Es un cono truncado desprovisto de fondos, sirve para controlar la razón agua-cemento determinando sí la mezcla esta licuada, plástica o seca, según el asentamiento.
Debe ser llevado entre capas con 20 golpes de un dison especial cada una El descenso en el cono de Abrams se aprecia con una regla o tabla
Arica, 21 de Mayo Nº 589 Fono/fax 058-471968 [email protected] www.vicale.cl Slump en cm
Sólido rígido o seco 0 a 2
Sólido plástico 2 a 5
Plástico 5 a 8
Plástico fluido 8 a 12
Fluido 12 a 15
Sopa 15 a 20
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d) Dosificación para mezclas de prueba:
En las siguientes tablas esta la dosis de cemento, grava, gravilla, arena, aditivos y agua que servirá de base para elaborar mezclas de prueba