Concreto reforzado con partículas de material cerámico

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(1)2002 – II – IC – 37. CONCRETO REFORZADO CON PARTICULAS DE MATERIAL CERÁMICO. HARVEY EDUARDO ZABALA QUINTERO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2002.

(2) 2002 – II – IC – 37. CONCRETO REFORZADO CON PARTICULAS DE MATERIAL CERÁMICO. HARVEY EDUARDO ZABALA QUINTERO. PROYECTO DE GRADO. DIRECTOR ALBERTO SARRIÁ MOLINA INGENIERO CIVIL. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2002.

(3) 2002 – II – IC – 37. AGRADECIMIENTOS De manera muy especial quiero expresar agradecimientos a mis padres que con el paso de los años me han ido orientando en mi formación profesional, y me han apoyado para poder alcanzar mis metas.. Agradezco también a todos aquellos que estuvieron atentos a prestarme su ayuda incondicional, no solamente en la realización de este proyecto de grado, sino en todo el recorrido de ésta carrera.. Al profesor Alberto Sarriá por su asesoría técnica y sus consejos personales.. A Sika Andina S.A., por el suministro del superplastificante.. Al personal del laboratorio, por su colaboración y atención dentro de las instalaciones del CITEC..

(4) 2002 – II – IC – 37. LISTA DE TABLAS pág.. Tabla 1. Compuestos del cemento Tabla 2. Fases de compuestos en el cemento Tabla 3. Clasificación del cemento por tipos según las fases que lo conforman Tabla 4. Propiedades del Carburo de Silicio Tabla 5. Contenido de cemento en un concreto de 3000 psi Tabla 6. Volumen de concreto y cantidad de cemento en un cilindro estándar Tabla 7. Porcentajes de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I Tabla 8. Cantidad en peso de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I Tabla 9. Cantidad en peso de Carburo de Silicio ha adicionar Tabla 10. Mezclas y numero de probetas fabricadas Tabla 11. Propiedades físicas del agregado Tabla 12. Análisis granulométrico del agregado fino Tabla 13. Análisis granulométrico del agregado grueso Tabla 14. Granulométrica optima según los rangos de Fuller y Thompson Tabla 15. Granulométrica más adecuada a partir de los rangos de Fuller y Thompson Tabla 16. Mezcla de Prueba Tabla 17. Primera mezcla de patrón Tabla 18. Mezcla AA para encontrar la relación A/C y el contenido de agua Tabla 19. Mezcla BB para encontrar la relación A/C y el contenido de agua.

(5) 2002 – II – IC – 37. Tabla 20. Segunda, tercera y cuarta mezcla patrón Tabla 21. Primera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla A) Tabla 22. Segunda mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla B) Tabla 23. Tercera mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla C) Tabla 24. Cuarta mezcla de concreto de alta resistencia (Mezcla D) Tabla 25. Resultados de resistencia a la compresión de la mezcla de prueba Tabla 26. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas AA y BB Tabla 27. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas A y A’ Tabla 28. Constante K del cemento Tabla 29. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas B y B’ Tabla 30. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas C y C’ Tabla 31. Resultados de resistencia a la compresión de las mezclas D y D’ Tabla 32. Análisis de precios unitarios de un concreto de 3000 psi Tabla 33. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Carburo de silicio Tabla 34. Análisis de precios unitarios de un concreto de 6000 psi con Microsílice.

(6) 2002 – II – IC – 37. LISTA DE ANEXOS Anexo No. 1 Curva granulométrica del agregado fino. Anexo No. 2 Curva granulométrica del agregado grueso. Anexo No. 3 Proporciones del agregado para obtener la granulométrica más adecuada y granulometría más adecuada. Anexo No. 4 Aumento de resistencia vs. Proporción de carburo de silicio. Anexo No. 5 Aumento de resistencia vs. Aumento de peso de las probetas. Anexo No. 6 Aumento de resistencia vs. Edad del concreto Anexo No. 7 Juego de Tamices, Picnómetro, Horno y Balanza. Anexo No. 8 Pala, Balde, Palustre, Cuchara y Camisas. Anexo No. 9 Bandeja, Cono de asentamiento, Varilla de compactación y Palustre. Anexo No. 10 Pedestal con guía y recipiente del azufre. Maquina Universal marca Forney. Anexo No. 11 Probetas de concreto de alta resistencia. Anexo No. 12 Probetas de concreto de resistencia normal. Anexo No. 13 Partículas de Carburo de Silicio..

(7) 2002 – II – IC – 37. 1. INTRODUCCIÓN. En busca de fortalecer la micro-estructura del concreto por medio de aditivos para producir un concreto con ciertas propiedades mecánicas superiores a las del concreto convencional, a través del tiempo se han utilizado adiciones de fibras, partículas y puzolanas, que han permitido observar el comportamiento del material en la mezcla de concreto y el efecto en las propiedades físicas, químicas y mecánicas del producto final.. Considerando la pasta de cemento como la matriz fundamental del concreto y teniendo en cuanta las cuatro fases de compuestos principales que la conforman, en este Proyecto de grado se presentan las propiedades físicas y mecánicas del concreto, al adicionarle Carburo de Silicio (SiC – material cerámico), y aumentar la resistencia a la compresión, convirtiendo el producto final en un Concreto de alta resistencia.. Por ultimo, con los resultados obtenidos se analiza la relación beneficio costo que implica la implementación de este material en el diseño de mezcla..

(8) 2002 – II – IC – 37. 2. OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVOS GENERALES •. Por medio de ensayos de laboratorio determinar la respuesta mecánica del concreto reforzado con partículas de material cerámico.. •. Evaluar el beneficio obtenido por el concreto reforzado con partículas de carburo de silicio ante el sobre costo efectuado por la adición del material cerámico.. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Presentar en forma clara y concisa la definición y clasificación de los elementos básicos necesarios para el entendimiento de la investigación.. •. Encontrar la proporción ideal de carburo de silicio para adicionar, con la cual se obtiene un concreto con mejores propiedades mecánicas que las del concreto convencional.. •. Investigar bibliográficamente las propiedades del carburo de silicio, y evaluar experimentalmente el comportamiento de las partículas cerámicas dentro de una matriz cerámica.. •. Con base a los resultados obtenidos evaluar el beneficio adquirido en el diseño de estructuras, por el concreto reforzado con partículas de carburo de silicio, teniendo en cuenta el sobre costo causado por la adición del material cerámico..

(9) 2002 – II – IC – 37. 3. GENERALIDADES. El Hormigón o Concreto es básicamente una mezcla de dos componentes: Pasta y agregado. La pasta, está compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o aire incluido intencionalmente, que tiene como función principal la unión de los agregados (arena, gravilla y/o grava), que unidos forman una masa parecida a una roca, pues la pasta endurece debido a la reacción química entre el cemento y el agua.. Los agregados para concreto se dividen en: finos y gruesos. Generalmente se emplean agregados gruesos con tamaño máximo de 19 o de 25 mm y arenas naturales (de río) como agregados finos.. A groso modo, la pasta constituye el 25 al 40% del volumen total del concreto, el cemento comprende entre el 7 y el 15% y el agua entre el 14 y el 21%. El contenido de aire y concretos con aire incluido puede llegar hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo de los agregados gruesos.. Como los agregados constituyen aproximadamente del 60 al 75% del volumen total del concreto, su selección es importante. Los agregados deben ser partículas que se complementen unas con otras, que tengan una gradación tal que los espacios entre las partículas mas grandes, sean ocupadas por partículas de menor tamaño y así sucesivamente,.

(10) 2002 – II – IC – 37. en otras palabras, deben tener una granulometría continua de tamaños de partículas. Además, no deben tener un alto contenido de arcilla, limo, sales inorgánicas o material orgánico, que afecte el comportamiento químico interno del concreto, de forma que perjudique su resistencia y composición.. Para un conjunto dado de estos materiales y de las condiciones de curado, la cantidad y uso del concreto está determinada por la relación agua/cemento (A/C), razón que indica la cantidad de agua utilizada en la mezcla de acuerdo a la cantidad de cemento presente en un metro cúbico de concreto.. Al reducir el contenido de agua en la mezcla de concreto se obtienen diversas ventajas:. •. Se incrementa la resistencia a la compresión y a la flexión.. •. Se tiene menor permeabilidad y por ende menor absorción.. •. Se logra una mejor unión entre capas sucesivas y entre el concreto y el refuerzo.. •. Se reducen las tendencias de agrietamientos por contracción.. El concreto posee diversas propiedades según el estado en que se encuentre (estado fresco o plástico, y estado endurecido), que se pueden modificar agregando aditivos al concreto. Los aditivos se usan comúnmente para:. •. Ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento..

(11) 2002 – II – IC – 37. •. Reducir la demanda de agua.. •. Mejorar la manejabilidad.. •. Incluir intencionalmente aire, y. •. Ajustar otras propiedades del concreto.. Después de una proporción adecuada, así como, mezclado, colocación, compactación, acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un material de construcción resistente, durable, no combustible, de resistencia al desgaste, que requiere poco mantenimiento y que se ha convertido en la estructura fundamental de la construcción en nuestro país.. El concreto usado normalmente tiene una resistencia comprendida entre los 2000 psi (14 MPa, 140 Kg/cm²) y los 5000 psi (35 MPa, 350 Kg/cm²), siendo el concreto de 3000 psi (21 MPa, 210 Kg/cm²) el que más se utiliza en el país.. 3.1 RESEÑA HISTÓRICA La historia del concreto es paralela a la historia del hombre en la búsqueda de un espacio para vivir en comodidad, seguridad y protección posible. Desde que el ser humano supero la época de las cavernas, a centrado su atención en delimitar su espacio vital, satisfaciendo primero sus necesidades de vivienda y después levantando construcciones con requerimientos específicos..

(12) 2002 – II – IC – 37. El pueblo egipcio uso el yeso calcinado para dar al ladrillo o a las estructuras de piedra una capa lisa. Los constructores griegos tuvieron una aplicación similar para la piedra caliza calcinada.. Los Romanos utilizaron con frecuencia el agregado quebrado del ladrillo embutido, en una mezcla de la masilla de la cal con polvo del ladrillo o la ceniza volcánica. Construyeron una variedad de estructuras donde incorporaron la piedra y el concreto, entre estas estructuras se incluyen los caminos, los acueductos, los templos y los palacios. Utilizaron losas de concreto en muchas de sus estructuras públicas grandes como el Coliseo y el Partenón. Para aligerar el peso de estructuras enormes, encajonaron tarros de barro vacíos en las paredes. También utilizaron barras de metal como refuerzos en el concreto.. John Smeaton, uno de los grandes ingenieros del siglo XVIII, había encontrado que combinar la cal viva con arcilla, arena y escoria de hierro machacada, creaba un material extremadamente duro que se podría utilizar para unir otros materiales. Él utilizó este conocimiento para construir la primera estructura de concreto desde la Roma antigua, construyo de la misma forma el faro de Eddystone en Inglaterra durante el año de 1774. Los faros anteriores hasta este punto habían sido destruidos por las tormentas.. En 1816 se construyó el primer puente de concreto (no reforzado) en Souillac, Francia.. En 1824, James Parker, Joseph Aspdin patentan al Cemento Portland, materia que obtuvieron de la calcinación a altas temperaturas de una caliza arcillosa. El nombre del.

(13) 2002 – II – IC – 37. cemento Portland le fue dado por la similitud que éste tenia con la piedra de la isla de Portland del canal ingles.. En 1825 se construyó el canal de Erie, con el primer concreto moderno producido en América. Se utilizó cemento hecho de la cal hidráulica, encontrada en los condados Cayuga y Onondaga de Madison en Nueva York.. En 1845, Isaac Johnson obtiene el prototipo del cemento moderno, quemando a alta temperatura una mezcla de caliza y arcilla hasta la formación del clínker.. En 1904, la American Standard For Testing Materials (ASTM), publica por primera ves sus estandares de calidad para el cemento Portland.. En 1905, Frank Lloyd Wright comenzó la construcción del templo de la Unidad en Oak Park, Illinois. Esta construcción tardo tres años, y se trata de una estructura con cuatro caras idénticas de modo que su costoso encofrado se pudiera utilizar varias veces.. En la década de los cincuenta ante la gran variedad de resistencias, se opto por clasificar el concreto según la resistencia obtenida. Los concretos cuya resistencia superara los 5000 psi (35 MPa, 350 Kg/cm²), eran denominados concretos de alta resistencia (en ingles High Strenght Concrete - HSC)..

(14) 2002 – II – IC – 37. Más adelante en la década de los sesenta se considero de alta resistencia de los 6000 psi (42 MPa, 420 Kg/cm²) a los 7500 psi (52.5 MPa, 525 Kg/cm²). Por ultimo, en el año de 1979 el ACI (American Concrete Institude) en compañía de la industria de concretos y cementos americana, crean un comité para que sea el encargado de estudiar e investigar sobre las características y propiedades del concreto de alta resistencia, con lo cual establecen que se habla de éste cuando se obtienen resistencias a la compresión entre los 6000 psi (42 MPa, 420 Kg/cm²) y los 14.000 psi (98 MPa, 980 Kg/cm²), medida a los 56 días de curado; si se obtiene un concreto con resistencia superior a los 14.000 psi (98 MPa, 980 Kg/cm²), medida a los 56 días de curado, se dice entonces que es un Concreto de Ultra Alta resistencia.. El principal uso de los concretos de alta resistencia o de mayor resistencia que estos, ha sido para disminuir la sección de las columnas inferiores en los edificios de gran altura; de esta manera se pretende lograr una mayor área disponible, y mejorar la estética de las edificaciones de gran tamaño.. En 1987, nace el sistema de encofrado Room Túnel, sistema de "medio túnel" que es simple, ligero y rápido de manejar, que permite crear moldes para fundir muros con rapidez, y crear edificaciones para vivienda en poco tiempo con la ayuda de concreto de buena resistencia a edades tempranas..

(15) 2002 – II – IC – 37. A través del tiempo se han ido construyendo edificaciones y estructuras de gran envergadura que han hecho del concreto el material más confiable, económico y versátil para la construcción en las ciudades.. 3.2 TIPOS DE CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA Un concreto de alta resistencia se puede clasificar según el tiempo que tarde en adquirir la resistencia especificada y de acuerdo a los materiales que se utilicen para su producción:. 3.2.1 Según el tiempo que tarde en tomar la resistencia esperada. De alta resistencia inicial. Son aquellos que alcanzan resistencias del orden de 2850 psi (20 MPa, 200 Kg/cm²) en los primeros 3 días, y a lo largo del tiempo aumenta su resistencia progresivamente. En este grupo también se consideran aquellos concretos que alcanzan resistencias de 6000 psi (42 MPa, 420 Kg/cm²) en los primeros tres días, estos concretos mantienen esa misma resistencia hasta los 28 días de edad.. Se obtienen. utilizando cemento portland tipo III, aditivos acelerantes y superplastificantes.. De alta resistencia final. Estos son los concretos que obtienen una resistencia alta a los 56 y 90 días con resistencias mínimas del orden de 42 MPa (6000 psi, 420 Kg/cm²). Estos concretos presentan un ascenso muy lento en su resistencia a edades tempranas, pero un aumento súbito en edades posteriores. A los 56 días de edad, alcanza una resistencia entre el 10% y el 15% mas alta que la obtenida a los 28 días, y a los 90 días de edad alcanza una resistencia entre el 18% y el 23% mas alta que la obtenida a los 28 días. Este tipo de.

(16) 2002 – II – IC – 37. concreto se fabrica por medio de cemento portland tipo I, agregados triturados de muy buena calidad con tamaños máximos nominales de 12 mm a 19 mm, y se debe adicionar un aditivo reductor de agua (superplastificante).. 3.2.2 Según los materiales empleados en su fabricación. De altos contenidos de cemento. Es aquel que alcanza grandes resistencias por medio de altas cuantías de cemento, son del orden de 450 Kg por metro cúbico de mezcla. Es común utilizar cementos tipo I o III, obteniendo concretos con asentamientos entre 0 a 10 cm, por lo cual es necesario utilizar compactación por medio de vibrado. Los concretos producidos con estas cuantías de cemento y empleando relaciones A/C de 0.41, logran obtener resistencias de 8960 psi (63 MPa, 630 Kg/cm²) al adicionar a la mezcla microsílice y aditivos reductores de agua.. De agregados y cementos especiales. Es aquel que alcanza grandes resistencias por medio de cemento tipo III y agregados naturales o artificiales de densidades altas, que permiten un buen manejo y confieren al concreto alta resistencia y ganancia en cuanto a desgaste. El resultado obtenido por la utilización de estos agregados, depende de la textura, la forma y el tamaño, auque pueden presentarse problemas de segregación con los agregados de mayor tamaño.. La segregación es el descenso del agregado durante el endurecimiento del. concreto en el encofrado..

(17) 2002 – II – IC – 37. De aditivos y adiciones. Son los concretos de alta resistencia que se obtienen a partir de la adición precisa de elementos naturales o artificiales, diferentes a los componentes del concreto. Los aditivos más usados son los reductores de agua, retardantes, acelerantes, puzolanas, microsílice y las escorias de alto horno. Estos aditivos se incorporan en la mezcla con respecto al peso de cemento contenido en un metro cúbico del concreto..

(18) 2002 – II – IC – 37. 4. MARCO TEORICO. 4.1 MATERIALES COMPUESTOS Los materiales compuestos son aquellos que se forman a partir de dos o más materiales para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener de los materiales originales. Los materiales compuestos se clasifican en tres categorías:. •. Materiales compuestos con partículas.. •. Materiales compuestos con fibras.. •. Materiales compuestos laminares.. El concreto es un material compuesto particulado. Se compone de partículas granulares que proporcionan propiedades isotrópicas al material resultante. Cuando se habla de un material con propiedades isotrópicas, se esta especificando que éste posee las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones dentro de la matriz del material.. La eficiencia y buen desempeño de un material compuesto radica en la buena elección de los materiales que lo conforman. Un material compuesto esta formado por dos fases, una fase continua que por lo general esta presente en mayor cantidad, y se conoce técnicamente como matriz; y una fase dispersa que por lo general esta presente en menor cantidad, y se conoce como precipitado o agregado. Cuando la matriz de un material compuesto se.

(19) 2002 – II – IC – 37. refuerza con un precipitado de menor tamaño al del precipitado inicial, a este agregado minúsculo se le denomina microconstituyente.. En general, existen ciertas consideraciones para determinar la forma en que las características de matriz y precipitado particulado, afectan las propiedades de un material compuesto:. •. La matriz debe ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro y resistente.. •. El precipitado debe ser discontinuo, mientras la matriz debe ser continua.. •. La partícula de precipitado debe ser lo más granular posible, para no generar concentración de esfuerzos en sus extremidades.. Al utilizar una partícula diminuta (diámetro entre 10 y 250 nm) como microconstituyente de una matriz, se genera una efecto de dispersión en el material continuo, bloqueando la propagación de posibles fisuras dentro del material y generando un endurecimiento mayor en la matriz.. Cuando el microconstituyente es compatible con los compuestos que conforman la matriz, las partículas adicionadas reaccionan superficialmente con los compuestos dispersos en el material continuo, lo que mejora la estructura del material y permite obtener mejores respuestas mecánicas. Una grieta que se mueva a través de la matriz, encontrará una partícula, por lo cual la grieta se ve obligada a propagarse alrededor ésta; si la unión entre.

(20) 2002 – II – IC – 37. la partícula y la matriz es buena, se requiere de gran energía para separar la partícula del medio continuo.. Los materiales compuestos de matriz cerámica (como la pasta de cemento) y partículas cerámicas, tienen una mejor resistencia y tenacidad a la fractura en comparación con productos cerámicos convencionales.. 4.2 PROPIEDADES DEL CONCRETO El concreto tiene varias propiedades que lo hacen ser el material mas usado en la construcción. La correcta proporción de los elementos que lo componen, el fraguado y el curado, son los procesos necesarios para obtener propiedades optimas en la mezcla final.. El concreto tiene una larga vida, y debido a que relativamente no requiere de mantenimiento, es un material económico a lo largo de su vida útil.. Este material tiene la capacidad de ser moldeado y de acomodarse a la morfología de todo tipo de superficie. Una vez ha endurecido es resistente a los cambios climáticos, pero a pesar de sus ventajas tiene algunas limitaciones ya que resiste bajos esfuerzos de tensión (comparado con otros materiales de construcción), tiene baja ductilidad, entre otras..

(21) 2002 – II – IC – 37. 4.2.1 Propiedades en estado fresco. Cohesión y manejabilidad. Son características que contribuyen a evitar la segregación y facilitar el manejo durante su colocación en el encofrado. Estos aspectos del concreto fresco adquieren importancia en obras donde las condiciones de colocación son difíciles y hacen necesario el uso de bomba o el vaciado por gravedad.. Prácticamente la finura es la única característica del cemento que puede aportar beneficio a la cohesión y la manejabilidad de las mezclas de concreto, por tanto, los cementos de mayor finura como el portland tipo III o los portland-puzolana serían recomendables en este aspecto. Sin embargo, existen otros factores con efectos más decisivos para evitar que las mezclas de concreto se segreguen durante su manejo y colocación. Entre tales factores puede mencionarse la composición granulométrica, el tamaño máximo del agregado y el diseño de la mezcla de concreto.. Pérdida de revenimiento. Este término se acostumbra usar para describir la disminución de consistencia o aumento de rigidez que una mezcla de concreto sufre desde que sale de la mezcladora hasta que termina colocada y compactada en el encofrado. Lo ideal sería que la mezcla de concreto conservara su consistencia original durante todo este proceso, pero por lo general no es así y ocurre una pérdida gradual, que puede ser causada por la temperatura del ambiente, la presencia de sol y viento, y la manera de transportar el concreto desde la mezcladora hasta el lugar de colado..

(22) 2002 – II – IC – 37. La pérdida de revenimiento también puede ocasionarse por la consistencia o fluidez inicial de la mezcla, la humedad de los agregados, el uso de ciertos aditivos y las características y contenido unitario del cemento.. Asentamiento y sangrado. Una vez el concreto queda en reposo después de colocarlo y compactarlo dentro del encofrado, se inicia un proceso natural mediante el cual los componentes más pesados (cemento y agregados) tienden a descender dentro de la mezcla, mientras que el agua que es menos densa tiende a ascender. A estos fenómenos se les llama respectivamente asentamiento y sangrado, y cuando se producen en exceso provocan cierta estratificación indeseable en la masa de concreto, según la cual se forma en la superficie superior una capa menos resistente y durable por su mayor concentración de agua.. Los principales factores que influyen en el asentamiento y el sangrado del concreto son exceso de fluidez en las mezclas, características deficientes de forma, textura superficial y granulometría en los agregados (particularmente falta de finos en la arena).. 4.2.2 Propiedades en estado endurecido. La resistencia a la compresión. Se puede definir como la máxima resistencia de un espécimen de concreto obtenida al aplicar una carga axial. Generalmente se expresa en kilogramos por centímetro cuadrado (Kg/cm2) o en libras por pulgada cuadrada (psi). Esta resistencia se obtiene a los 28 días de edad, y se le designa con el símbolo f’c. Para.

(23) 2002 – II – IC – 37. determinar la resistencia a la compresión, se realizan pruebas en probetas estándar de concreto, que consisten en cilindros de 30 cm de alto por 15 cm de diámetro.. La resistencia a la flexión. Se utiliza generalmente al diseñar pavimentos y otras losas sobre el terreno. La resistencia a la compresión se puede utilizar como índice de la resistencia a la flexión, una ves que entre ellas se ha establecido la relación empírica para los materiales y el tamaño del elemento. La resistencia a la flexión, también llamada modulo de ruptura, se aproxima a menudo de 1.99 a 2.65 veces el valor de la raíz cuadrada de la resistencia a la compresión.. La resistencia a la tensión. Es aproximadamente del 8 al 12% de la resistencia a la compresión y a menudo se estima como 1.33 a 1.99 veces la raíz cuadrada de la resistencia a la compresión. La resistencia a la tensión se obtiene fallando varias probetas estándar por medio de la tracción brasilera o tracción indirecta, que consiste en someter a carga axial un cilindro en posición transversal.. El modulo de elasticidad. Denotando por medio del símbolo E, se puede definir como la relación del esfuerzo normal y la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o de compresión por debajo del limite de proporcionalidad de un material. Para concretos de peso normal, E fluctúa entre 140.600 y 422.000 Kg/cm².. Resistencia a congelación y deshielo. El concreto utilizado en estructuras y pavimentos se espera que tenga una vida larga y un bajo mantenimiento. Debe tener buena durabilidad.

(24) 2002 – II – IC – 37. para resistir condiciones de exposición a la intemperie. El factor más destructivo es la congelación y el deshielo mientras el concreto se encuentra húmedo, ya que el congelamiento del agua causa deterioro en la pasta, en las partículas del agregado o en ambos. Con la inclusión de aire el concreto es sumamente resistente a este deterioro. Durante el congelamiento el agua se desplaza por la formación de hielo, en la pasta se acomoda de tal forma que no resulta perjudicial; las burbujas de aire en la pasta suministran cámaras donde se introduce el agua y así se alivia la presión hidráulica generada.. Permeabilidad y hermeticidad. El concreto empleado en estructuras que retengan agua o que estén expuestas al agua lluvia, debe ser “impermeable y hermético”. La hermeticidad se define como la capacidad del concreto de refrenar o retener el agua sin escapes visibles. La permeabilidad se refiere a la cantidad de infiltración de agua a través del concreto cuando el agua se encuentra a presión, o a la capacidad del concreto de resistir la penetración de agua u otras sustancias liquidas.. La permeabilidad total del concreto al agua es una función de la permeabilidad de la pasta, de la permeabilidad y granulometría del agregado, y de la proporción relativa de la pasta con respecto al agregado. La permeabilidad de la pasta es muy importante, ya que la pasta recubre a todos los constituyentes del concreto. La permeabilidad de la pasta depende de la relación A/C, del agregado y de la hidratación del cemento durante el curado. Un concreto de baja permeabilidad requiere de una relación A/C baja y un periodo de curado húmedo adecuado. La inclusión de aire ayuda a la hermeticidad..

(25) 2002 – II – IC – 37. Resistencia al desgaste. Los pavimentos, pisos y estructuras hidráulicas están sujetos al desgaste, por lo cual el concreto debe tener una resistencia elevada a la abrasión. Los resultados de pruebas indican que la resistencia a la abrasión o desgaste esta estrechamente relacionada con la resistencia la compresión del concreto. Un concreto de alta resistencia a la compresión tiene mayor resistencia a la abrasión que un concreto de resistencia normal.. 4.3 FRACTURA DEL CONCRETO Un espécimen de concreto que se somete a esfuerzos de compresión o de tensión (debidos a cargas o a flexión directa), se comporta de forma elástica-lineal hasta cierto punto. Este punto indica la iniciación de la microfisuración, y el comienzo del comportamiento plástico del material.. Las fisuras crecen lentamente con respecto a la fisura principal (la más grande e inicial), hasta que la zona de microfisuras alcanza cierto tamaño, que permite la propagación rápida de las fisuras hasta que se llega a la fractura del espécimen.. La fractura o ruptura del concreto puede iniciarse en alguna de las siguientes zonas:. •. En la matriz o pasta de cemento.. •. En las partículas del agregado.. •. En la interfase entre el agregado y la pasta..

(26) 2002 – II – IC – 37. La zona de fractura inicial del concreto depende de las fuerzas cohesivas del cemento, de la elasticidad de los agregados y de las fuerzas adhesivas del agregado con la pasta, respectivamente.. 4.3.1 Propagación de fisuras en la pasta de cemento. Las fisuras en la pasta de cemento nacen por la poca ductilidad que posee este elemento y por la resistencia de las fases que lo componen. La pasta de cemento se puede clasificar como un material cerámico que es demasiado rígido, y al generarse dentro de él una fisura ésta continua a lo largo del elemento a menos que se encuentre con un obstáculo que le permita seguir avanzando.. 4.3.2 Influencia de los agregados en la propagación de fisuras. Es poco probable que la fisura se genere en el agregado del concreto, ya que se requiere mayor energía que la necesaria para generar la fisura en la pasta de cemento. Sin embargo, el tipo de agregado puede dificultar o facilitar la propagación de fisuras, pues cuando la fisura llega hasta el agregado, puede atravesarlo o desviarse alrededor de él. En el primer caso, la energía de ruptura que acompaña a la fisura se mantiene constante, pero en el segundo caso, la demanda de energía se aumenta al aumentarse el área de figuración. Esto indica que entre más grande sea el agregado, con mayor facilidad se propagan las fisuras alrededor de él.. 4.3.3 Interfase entre la pasta y el agregado. La adherencia entre el agregado y la pasta de cemento es fundamental, ya que ésta es más débil cuando los agregados son grandes. Al generarse una fisura en la interfase entre la pasta de cemento y un agregado grande, no solo se propaga esta fisura sino que además genera fisuras secundarias.. Esta adherencia.

(27) 2002 – II – IC – 37. depende de la textura del agregado, ya que si este es liso, la fisura tendera a propagarse alrededor de él, pero si por el contrario éste es rugoso, se generara una mayor demanda de energía para que la fisura se propague alrededor de él, lo que conllevara a la propagación de la fisura a través del agregado. El agua que quede atrapada en los intersticios del agregado, facilita la propagación de fisuras, y perjudica la adherencia de éste a la pasta de cemento.. Durante el fraguado del concreto se generan las primeras fisuras en la interfase del agregado y la pasta de cemento. Estas fisuras ocurren por la segregación del agregado más grande y por la retracción del concreto durante el endurecimiento.. 4.4 USOS Y ANTECEDENTES DE LAS ADICIONES EN EL CONCRETO A principios de la década de los cincuentas, se hicieron investigaciones adicionando diferentes tipos de fibras para obtener concretos con mayor resistencia a la tracción y mayor ductilidad, dando origen al concreto reforzado con fibras (CRF), que es una mezcla de cemento, agregados, agua, aditivos y fibras discontinuas, las cuales hoy son producidas en varias formas y tamaños, en acero, plástico, asbesto, nylon, vidrio, etc.. Los efectos en las propiedades mecánicas del concreto, dependen del material de la fibra, del largo y de la sección transversal de ésta.. 4.5 COMPONENTES DEL CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA Los materiales utilizados para la producción del concreto de alta resistencia, deben cumplir con un mayor control de calidad que el requerido para concretos de resistencia normal..

(28) 2002 – II – IC – 37. Para fabricar el Concreto reforzado con partículas de material cerámico, se emplearon los siguientes materiales: Cemento Pórtland tipo I, Arena de río, Gravilla, Agua, Carburo de Silicio y Superplastificante.. 4.5.1 El Cemento. El cemento Pórtland se fabrica a partir de materiales calcáreos como la caliza y materiales arcillosos con alto contenido de alúminia y sílice. La caliza y la arcilla se mezclan en proporciones que dependen de la composición de los materiales. En general, la proporción de caliza es cuatro veces mayor a la de arcilla, y existen diferentes tipos de calizas que pueden ser utilizadas en la fabricación del cemento.. La única caliza que no puede utilizarse para este proceso, es aquella que posee altas cantidades de magnesio, ya que presentan cambios volumétricos en la pasta de cemento endurecida, ocasionando fisuramiento y fallas tempranas en cuanto a sus propiedades mecánicas.. Estas materias primas se muelen y se mezclan, para luego calcinarlas en un horno rotatorio a una temperatura entre 1400 y 1650 °C (2550 y 3000 °F), buscando sintetizar y fundir parcialmente el material para formar el clínker.. En este rango de temperaturas, los. compuestos reaccionan químicamente para formar los silicatos (compuestos de Calcio, Sílice y Oxigeno).. El clínker se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino que posteriormente se mezcla con yeso para producir el cemento Pórtland..

(29) 2002 – II – IC – 37. El proceso de fabricación del cemento comprende las siguientes etapas principales:. •. Extracción de materias primas. •. Dosificación, molienda y homogenización de materias primas. •. Clinkerización. •. Enfriamiento. •. Molienda de clínker y adiciones de yeso. •. Empaque y distribución. No es necesario un tipo de cemento especifico para producir un concreto de alta resistencia, pero según estudios previos, se ha encontrado que se obtienen mejores resistencias cuando se hacen mezclas con cemento Portland tipo II. Para este proyecto de grado se trabajó con concreto Portland tipo I fabricado por Cementos 1A, ya que se quería observar el aumento en la resistencia a la compresión debida a la adición de Carburo de Silicio, empleando los materiales que se utilizan para la producción de un concreto convencional de resistencia de 3000 psi.. Propiedades Químicas.. El proceso de Clinkerización del cemento, transforma las. materias primas en fases de compuestos mas complejos. Estas fases de compuestos se forman en el interior del horno rotatorio cuando la temperatura alcanza un punto en que la mezcla cruda de materias primas se convierte en un material liquido pastoso, que al.

(30) 2002 – II – IC – 37. enfriarse crea fases de compuestos cristalinos, rodeados por un material más abundante e intersticial que contiene cuatro moléculas de Oxido de calcio (Cal), una molécula de Oxido de aluminio (Aluminato) y una molécula de Oxido de Hierro (Hierro). Este material se denomina Ferroaluminato tetracálcico y proporciona cohesión a las fases de los demás compuestos.. Los compuestos y fases formadas durante el proceso de Clinkerización y enfriamiento, son:. Nombre del Compuesto Formula Abreviatura Oxido de Calcio (Cal) CaO C Dióxido de Sílice (Silicato) SiO2 S Oxido de Aluminio (Aluminato) Al2O3 A Oxido de Hierro (Hierro) Fe2O3 F Tabla 1. Compuestos del cemento. Nombre de la Fase Abreviatura Silicato tricálcico (Alita) C3 S Silicato dicálcico (Belita) C2S Aluminato tricálcico (Aluminato) C3A Ferroaluminato tetracálcico C4AF Tabla 2. Fases de compuestos en el cemento. Los silicatos de calcio (C3S y C2S) son los compuestos más deseables dentro de la composición del cemento, porque al hidratarse forman los silicatos B hidratados de calcio (S-H-C) que son los responsables de la resistencia mecánica y otras propiedades del concreto. Normalmente el C3S aporta la resistencia a corto y mediano plazo, y el C2S a.

(31) 2002 – II – IC – 37. mediano y largo plazo. El silicato tricálcico (C3S), posee alto calor de hidratación, de tal manera que afecta el tiempo de fraguado.. La fase de Aluminato (C3A), no es una fase pura de Oxido de calcio y Oxido de aluminio, también contiene algo de impurezas de Dióxido de Sílice (SiO2) y Oxido de Magnesio (MgO), que reaccionan rápidamente con el agua y contribuyen con un alto calor de hidratación. La presencia de magnesio en esta fase, confiere al concreto propiedades poco deseables como cambios volumétricos en la pasta de cemento endurecida y poca resistencia a la compresión a lo largo del tiempo.. Finalmente, el cemento se puede clasificar en diferentes tipos según las cantidades efectivas de las fases de los compuestos que lo conforman:. Cemento Composición Química en % Portland C3 S C2 S C3 A C4AF Tipo 1 48 27 12 8 Tipo 2 40 35 5 13 Tipo 3 62 13 9 8 Tipo 4 25 50 5 12 Tipo 5 38 37 4 9 Tabla 3. Clasificación del cemento por tipos según las fases que lo conforman. Cada tipo de cemento posee propiedades diferentes, lo cual los hace distintos entre si y por ende cada tipo de cemento tiene un uso diferente..

(32) 2002 – II – IC – 37. Sin importar el tipo de cemento, éste endurece al reaccionar con el agua (reacción denominada hidratación). Los silicatos producen silicato tricálcico hidratado (C3S2·3H2O) e hidróxido de calcio, mientras que el aluminato tricálcico produce hidróxido de aluminio tricálcico:. 2C 3 S + 7 H 2 O → C 3 S 2 ⋅ 4 H 2 O + 3Ca (OH ) 2 + 173.6 KJ (calor ) 2C 2 S + 5 H 2 O → C 3 S 2 ⋅ 4 H 2 O + Ca (OH ) 2 + 58.6 KJ (calor ) C 3 A + 6 H 2 O → Ca 3 Al 2 (OH )12 + calor. La unión de estos compuestos producidos, forma un gel coloidal, con partículas de menos de un micrómetro de diámetro.. Propiedades Físicas y Mecánicas.. Las propiedades físicas del cemento se pueden. determinar mediante diferentes ensayos que se ejecutan dependiendo del estado en el cual se encuentra el cemento. Pueden clasificarse en dos tipos, los ensayos que determinan las propiedades físicas del polvo de cemento y los ensayos que determinan las propiedades físicas y mecánicas de la pasta de cemento.. 4.5.2 Agua. Las especificaciones en cuanto al agua para la mezcla y el agua para el curado, son las mismas que para un concreto convencional de resistencia normal. El agua juega un papel muy importante en el diseño de mezclas de concreto de alta resistencia, ya que a menor contenido de agua en la mezcla, menor es el asentamiento de ésta, pero mayor.

(33) 2002 – II – IC – 37. será la resistencia del concreto. Sin embargo existe un limite inferior para la relación A/C, que esta dado por la cantidad de agua necesaria para hidratar completamente el cemento, y varia de 0.23 a 0.25. resistencia. no. se. Debido a la utilización del Microsílice, en concretos de alta. habla. de. la. relación. agua/cemento. sino. de. la. relación. agua/material_cementante, ya que la adición de Dióxido de Silicio (SiO2 – material más abundante en el Microsílice), mejora las propiedades aglutinantes del cemento, por lo cual es tenido en cuenta en el diseño de la mezcla.. Para este proyecto de grado, se mantiene el concepto de relación agua/cemento en la proporción de mezcla, ya que no se utilizó Microsílice para lograr el concreto de alta resistencia, y el Carburo de Silicio no presenta propiedades aglutinantes.. La calidad y cantidad del agua es muy importante ya que es el ingrediente clave en la formación de la pasta de cemento, manejabilidad de la mezcla y curado del concreto. En la reacción química de la hidratación del cemento, se requiere que el agua sea pura y que no contenga reacciones previas internas con otros elementos, para que no interfiera en la hidratación del cemento. En la manejabilidad de la mezcla, se requiere que ésta tenga un contenido de agua tal que la mezcla sea homogénea y sea apta para colocarse y compactarse sin generar segregación o poca adherencia a los agregados. El agua para el curado es fundamental ya que a través del tiempo el concreto adquiere mayor resistencia y las partículas de cemento continúan hidratándose..

(34) 2002 – II – IC – 37. Para evitar posibles inconvenientes causados por el agua, se utilizo agua potable para el mezclado y curado de los cilindros de concreto.. 4.5.3 Agregados. Los agregados finos y gruesos influyen notablemente en las propiedades del concreto recién mezclado y endurecido, en las proporciones de la mezcla, y en la economía. Los agregados finos consisten en arena de río natural o piedra triturada, siendo la mayoría de sus partículas menores que 5 mm. Los agregados gruesos consisten en una grava o una combinación de grava o agregado triturado, cuyas partículas son mayores que 5 mm y generalmente entre 9.5 y 38 mm. El agregado manufacturado se produce triturando roca de cantera, piedra bola, o grava de gran tamaño. La escoria de alto horno enfriada al aire y triturada también se utiliza como agregado grueso o fino.. Los agregados de calidad deben cumplir ciertas normas para darles un uso ingenieríl optimo, son partículas limpias, duras, resistentes y libres de productos químicos absorbidos, recubrimientos de arcilla y otros materiales finos que pudieran afectar la hidratación y la adherencia de la pasta de cemento. Las partículas de agregado que sean desmenuzables o susceptibles de quebrarse son indeseables.. La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado, que se determina por análisis de tamices (norma ASTM C-136 - Norma Técnica Colombiana NTC-32). El tamaño de partícula del agregado, se determina por medio de tamices de malla de alambre con aberturas cuadradas. Esta granulometría se determina haciendo pasar una muestra representativa de agregados por una serie de tamices ordenados, por abertura, de.

(35) 2002 – II – IC – 37. mayor a menor. La denominación en unidades inglesas (tamices ASTM) se hacía según el tamaño de la abertura en pulgadas para los tamaños grandes, y el número de aberturas por pulgada lineal para las aberturas menores de 3/8 de pulgada.. La serie de tamices utilizados para agregado grueso son 3", 2", 1½", 1", ¾", ½", 3/8", # 4, y para agregado fino son # 4, # 8, # 16, # 30, # 50, # 100, # 200, en ambas series se debe colocar tapa y fondo. La serie de tamices que se emplean para clasificar los agregados para concreto, se ha establecido de manera que la abertura de cualquier tamiz sea aproximadamente la mitad de la abertura del tamiz inmediatamente superior. La operación de tamizado debe realizarse de acuerdo con la Norma Técnica Colombiana NTC-77 sobre una cantidad de material seco. El zarandeo de los tamices se puede llevar a cabo a mano o mediante el empleo de una máquina zarandeadora.. El tamizado a mano, se hace de tal manera que el material se mantenga en movimiento circular con una mano mientras se golpea con la otra, pero en ningún caso se debe inducir con la mano el paso de una partícula a través del tamiz; los resultados del análisis de tamices se colocan en forma tabular. En la columna 1 se indica la serie de tamices utilizada en orden descendente. Una vez tamizada la muestra, se toma el material retenido en cada tamiz, se pesa, y cada valor se coloca en la columna 2. Cada uno de estos pesos retenidos se expresa como porcentaje (retenido) del peso total de la muestra, y se registra en la columna 3. En la columna 4 se van colocando los porcentajes retenidos acumulados. En la columna 5 se registra el porcentaje acumulado que pasa, que será simplemente la diferencia entre 100 y el porcentaje retenido acumulado..

(36) 2002 – II – IC – 37. Los resultados de un análisis granulométrico también se pueden representar por medio de una gráfica que se llama curva granulométrica. Esta gráfica se representan por medio de dos ejes perpendiculares, en donde las ordenadas (eje vertical) representa el porcentaje que pasa y en el eje de las abscisas (eje horizontal) la abertura del tamiz cuya escala puede ser aritmética o logarítmica.. Del análisis granulométrico, se pueden obtener propiedades del agregado como son:. El módulo de finura. Es un parámetro que se obtiene de la suma de los porcentajes retenidos acumulados de la serie de tamices desde el tamiz # 100 en adelante hasta el tamaño máximo presente, este resultado se divide en 100 , para este cálculo no se incluyen los tamices de 1" y ½". Se considera que el Modulo de Finura de una arena adecuada para producir concreto debe estar entre 2.3 y 3.1, ya que un valor menor que 2.0 indica una arena muy fina, 2.5 una arena de finura media y más de 3.0 una arena gruesa.. De acuerdo a investigaciones, el concreto de alta resistencia presenta mejores resultados cuando se elaboran mezclas donde el agregado fino tiene un modulo de finura entre 2.7 y 3.. Tamaño Máximo. Se define como la abertura del menor tamiz por el cual pasa el 100% de la muestra..

(37) 2002 – II – IC – 37. Tamaño Máximo Nominal. Está definido como la abertura del siguiente tamiz que le sigue en abertura (mayor), a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es del l5% o más. La mayoría de las especificaciones granulométricas se dan en función del tamaño máximo nominal.. La granulometría y el tamaño máximo nominal del agregado afectan las proporciones relativas de los agregados así como los requisitos de agua y cemento, la manejabilidad, economía y porosidad.. Para la producción de concretos de alta resistencia, se utilizan agregados pétreos naturales o también escoria de alto horno, agregados gruesos con tamaño máximo nominal de 12 a 19 mm.. 4.5.4 Aditivo Superplastificante. Es conocido como reductor de agua de alto rango o de alto poder. Es utilizado para satisfacer las necesidades de colocación y manejabilidad del concreto, debido a la baja relación agua/ material _ cementante, ya que la mezcla antes de recibir el superplastificante, presenta muy poco asentamiento o ninguno al respecto. Se dice que son reductores de agua, porque tienen la capacidad de reducir hasta en un 40% la cantidad de agua requerida dentro de la mezcla, y a la vez proporcionan cohesividad entre las partículas y adherencia al refuerzo del concreto.. Por sus propiedades plásticas,. aumentan la ductilidad y el modulo de elasticidad del concreto.. El efecto del. superplastificante en las propiedades del hormigón según investigaciones efectuadas por Brooks y Wainwright en 1983, muestran que la resistencia a la compresión a los 28 días de.

(38) 2002 – II – IC – 37. las muestras con el superplastificante, presentan una resistencia superior en un 19% con respecto a la resistencia de una muestra de concreto sin superplastificante. La resistencia a la tracción a los 28 días también aumenta en un 10%. En la actualidad se pueden encontrar diferentes tipos de superplastificantes como son:. Basados en lignosulfatos. Estos no pueden utilizarse en dosis abundantes, ya que poseen un efecto retardador en el endurecimiento del concreto.. Basados en Melaninas. No poseen efecto retardante en el endurecimiento del concreto, pero son de resistencia media en comparación con los otros tipos.. Basados en Naftalinas.. Al igual que el anterior no posee efecto retardante, y a. comparación con los anteriores, posee la mayor resistencia a la compresión a lo largo del tiempo.. Para el Concreto reforzado con partículas de material cerámico, se utilizó el superplastificante Sikament-NS, basado en naftalinas. Es un aditivo líquido, color café, compuesto por resinas sintéticas de naftaleno sulfonatado.. Para su utilización, se adiciona en la ultima porción del agua de mezcla o directamente en toda el agua de mezcla, siendo este componente el ultimo en adicionarse para obtener el concreto. Se adiciona del 1 al 2% del peso de cemento contenido en la mezcla, a mayor proporción, mejores resultados..

(39) 2002 – II – IC – 37. Sikament-NS, cumple las normas ASTM C-494, ASTM C-1017 y NTC 1299. Su densidad es 1.2 Kg/l, y proporciona grandes ventajas en el concreto:. •. Reduce considerablemente la permeabilidad del concreto.. •. Densifica el concreto y mejora la adherencia de la pasta a los agregados y al acero de refuerzo.. •. Reduce la exudación y la contracción de secado en el concreto.. Este aditivo debe manipularse con guantes de caucho y gafas de protección, para evitar el contacto cutáneo u ocular durante su uso.. 4.5.5. Aditivos Especiales.. En busca de mejorar cada vez más la resistencia a la. compresión del concreto, a través del tiempo se han ido implementando aditivos especiales para lograr una mejor resistencia a la compresión y a la tracción del concreto. Estos aditivos han sido fibras de acero, fibras poliméricas, fibras de guadua, polvo de cuarzo, fibras de asbesto, fibras de nylon, fibras de vidrio, etc.. Microsílice. También llamado Microsilica, Silica Fume o Condensed Silica Fume. Se compone de un 90 al 96% por Dióxido de Silicio (SiO2), y demás compuestos que finalmente son los mismos que componen el cemento, pero a diferencia de éste, no han sufrido un proceso de clinkerización (calcinación). Su dosificación se hace generalmente.

(40) 2002 – II – IC – 37. como un porcentaje en peso del contenido de cemento en la mezcla, y generalmente oscila entre el 15 y el 20% dependiendo del tipo de cemento a utilizar y sus propiedades fisicoquímicas.. Para este proyecto no se utilizo microsílice, ya que no permitiría observar el efecto por la adición y mezcla del Carburo de Silicio con el cemento, además debería emplearse la relación agua/material_cementante en vez de la relación agua/cemento.. El Carburo de silicio (SiC). Se extrae de un horno en el cual se funden el Carbono y el Silicio. Para este proceso también se utiliza Boro con el fin de mejorar la densidad del compuesto durante el proceso de sinterización, que se realiza a una temperatura de 2500 °C. La microestructura resultante de este proceso es el Carburo de Silicio, que se compone de granos con cristalografía de tipo hexagonal (estructura cristalina - 6H), también se produce una pequeña cantidad de carbón libre, y de granos aislados de B4C. Las partículas de este material se obtienen mediante un proceso de trituración, por lo cual se fabrican partículas de diferentes tamaños.. A continuación se presentan los datos característicos del SiC(6H), material a utilizado en el proyecto de grado, con una pureza de aproximadamente (98±1) %, donde (0.4±0.1) % y (0.5±0.1) % corresponden a las fracciones totales de Boro y de Carbón libre respectivamente:.

(41) 2002 – II – IC – 37. Propiedades Color Peso molecular. Datos Gris 40.07. g/mol. Densidad Área superficial Resistencia a la flexión Modulo de Young Resistencia a la compresión Resistencia a la tensión Relación de Poisson. g/cm3 m²/g Mpa GPa Mpa Mpa. 3.2 7 – 15 400 +/- 60 415 +/- 12 4100 250 +/- 12.5 0.16 +/- 0.04. Conductividad térmica. W/moK. 114 +/- 9.1. Coeficiente de expansión térmica Punto de fundición. -6 o. 10 / K °C. 1.1 +/- 0.1 2700. Calor específico J/goK 0.68 Tabla 4. Propiedades del Carburo de Silicio Estudios realizados en 1994 por el instituto para la higiene y medicina industrial de la Universidad de Essex, demostraron que la producción de Carburo de Silicio no es toxica y no tiene efectos contraproducentes en el cuerpo humano, lo cual lo hace un material no peligroso al contacto cutáneo. También se estableció que se trata de un material inerte, cuya fabricación no producía daños ambientales. Si los ojos del operario tienen contacto con el material, deben lavarse con suficiente agua, en caso de que las partículas sean muy pequeñas, ocurrirá irritación por lo cual debe acudirse al medico.. Por lo general se produce en color gris, pero también es fabricado en colores café, negro, blanco y verde. El SiC es un material altamente abrasivo, que generalmente se funde con metales para la fabricación de cajas fuertes y elementos blindados. Actualmente no se produce en Colombia, por lo que se importa de Alemania..

(42) 2002 – II – IC – 37. 4.6. PROPORCIÓN DEL CARBURO DE SILICIO EN EL CONCRETO. ADICIONADO. 4.6.1 Especificaciones del concreto. Para poder calcular la cantidad de partículas de carburo de silicio necesarias para el ensayo, parto de un concreto convencional con resistencia a la compresión de 3000 psi (21 MPa, 210 Kg/cm²), ya que es la resistencia del concreto con la que generalmente se diseñan las estructuras en Bogotá, y obtengo el contenido de Cemento Pórtland Tipo I que se encuentra contenido en la mezcla.. CONCRETO DE 3000 psi METRO CUBICO DE MEZCLA Cantidad UN Volumen de Concreto: 1 M³ Cantidad de Cemento: 344,83 Kg Tabla 5. Contenido de cemento en un concreto de 3000 psi. 4.6.2 Cantidad adicionada con respecto a los compuestos del cemento. Para determinar la cantidad en peso de partículas de carburo de silicio por cada cilindro de falla, es necesario conocer la cantidad de cemento en el concreto por cilindro y el contenido en peso de los compuestos que reaccionaran con el carburo de silicio. Para esto es indispensable conocer los siguientes parámetros:. Cantidad de cemento por cilindro de falla.. Con base a los datos suministrados. anteriormente y a las dimensiones estándar del cilindro de falla, obtengo el volumen de.

(43) 2002 – II – IC – 37. concreto que se requiere por cada cilindro, y la cantidad de cemento contenido en la mezcla de un cilindro:. CILINDRO Cantidad UN Volumen de Cilindro de falla: 0,0053 M³ Cemento por cilindro: 1.83 Kg Tabla 6. Volumen de concreto y cantidad de cemento en un cilindro estándar. Cantidad de compuestos por fase. Según el tipo de cemento, éste se conforma de acuerdo a un porcentaje en peso de cada una de las fases que lo componen. En este caso se tienen en cuenta los porcentajes de composición en peso del cemento Pórtland Tipo I:. Cemento Composición, % en peso Portland C3 S C2 S C3 A C4AF Tipo 1 48 27 12 8 Tabla 7. Porcentajes de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I. Las abreviaturas C, S, A y F, corresponden a Oxido de Calcio, Dióxido de Sílice, Oxido de Aluminio (Al2O3) y a Oxido de Hierro, respectivamente.. Cantidad de Carburo de Silicio por cilindro. Teniendo en cuenta que la cantidad requerida por un cilindro es 1.83 Kg de cemento, obtengo la cantidad en peso de cada fase, y de aquellas que se quieren mejorar, obtengo la cantidad en peso de Oxido de Aluminio contenida en esa cantidad de cemento:.

(44) 2002 – II – IC – 37. Cemento Pórtland Tipo 1 Fase C3 S C2 S C3 A C4AF Composición (% peso) 48 27 12 8 Peso (gr) 877.48 493.58 219.37 146.25 Tabla 8. Cantidad en peso de las fases de compuestos en el cemento Pórtland Tipo I. Fase C3A C4AF Composición (% peso) 12 8 Peso (gr) 219.37 146.25 Aporte de Al2O3 (gr) 54.84 24.37 SiC a adicionar (gr) 54.84 24.37 Tabla 9. Cantidad en peso de Carburo de Silicio ha adicionar. Según este calculo inicial, por cilindro de falla deben haber aproximadamente 79.22 gr de Carburo de Silicio, hablando de cilindros estándar de 30 cm de alto por 15 cm de diámetro. Por medio de este valor, se puede afirmar que la proporción de Carburo de Silicio dentro de la mezcla, es de 4.33% en peso del peso del cemento requerido en la mezcla de concreto.. 4.7 APLICACIONES DEL CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA La obtención de las propiedades del concreto en estado fresco y en estado endurecido, se hace con el fin de llegar a un diseño de mezcla adecuado que cumpla con algunas características a la hora de la fundición y en el momento en que se espera una respuesta por parte del concreto a una solicitación determinada.. Un concreto de alta resistencia, se caracteriza principalmente por:.

(45) 2002 – II – IC – 37. •. Resistir mayores solicitaciones a compresión, en comparación a un concreto de resistencia normal.. •. Poseer menor contenido de agua en la mezcla.. •. Requerir la presencia de un superplastificante, con el fin de obtener la manejabilidad esperada, debido al poco contenido de agua dentro de la mezcla.. •. Contener un aditivo cementante o de resistencia superior, con el fin de aumentar la resistencia a la compresión. Este aditivo es Microsílice, pero en este caso, éste material es remplazado por Carburo de Silicio, que es un material cerámico que no posee características cementantes como se explicó anteriormente.. •. Poseer mayor contenido de cemento en la mezcla.. El concreto de alta resistencia es utilizado en la construcción preesforzada, ya que se le somete a esfuerzos más altos y por lo tanto un aumento en su calidad generalmente conduce a resultados más económicos. El uso de concreto de alta resistencia permite la reducción de las dimensiones de la sección transversal de las columnas de edificios de gran altura, logrando ahorros significativos y mejor apariencia a las estructuras pues se pueden crear columnas de igual sección transversal a lo largo de su altura, por medio de concretos de diferente resistencia a la compresión.. Además, el concreto de alta resistencia tiene un módulo de elasticidad más alto que el concreto de baja resistencia, de tal manera que se reduce cualquier pérdida de la fuerza pretensora debido al acortamiento elástico del concreto..

(46) 2002 – II – IC – 37. Alta resistencia en el concreto preesforzado es necesaria por varias razones: Para minimizar su costo, los anclajes comerciales para el acero de preesfuerzo son siempre diseñados con base de concreto de alta resistencia. De aquí que el concreto de menor resistencia requiere anclajes especiales o puede fallar mediante la aplicación del preesfuerzo. Tales fallas pueden tomar lugar en los apoyos, en la adherencia entre el acero y el concreto, o en la tensión cerca de los anclajes. El concreto de alta resistencia a la compresión ofrece una mayor resistencia a tensión y cortante, así como a la adherencia y al empuje, y es deseable para las estructuras de concreto preesforzado ordinario. Otro factor es que el concreto de alta resistencia está menos expuesto a las grietas por contracción que aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia antes de la aplicación del preesfuerzo..

(47) 2002 – II – IC – 37. 5. PROGRAMA EXPERIMENTAL. 5.1 METODOLOGÍA Una vez transportados los materiales hasta el CITEC (Centro de Innovaciones Tecnológicas de la Universidad de los Andes), se realizó la caracterización de los agregados, la cual consistía en obtener su gradación, su densidad aparente, nominal, superficialmente seca y el porcentaje de absorción de agua tanto del agregado grueso como del fino.. Se elaboro un diseño de mezcla inicial del cual se fabricó una mezcla de prueba para observar las propiedades en estado fresco y en estado endurecido del concreto, se fabricaron tres probetas de 20 cm de alto, por 10 cm de diámetro considerando un desperdicio del 13% durante la fundición. Los cilindros se sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición, dos de ellos se fallaron a los 7 días de edad, el otro cilindro se fallo a los 28 días de edad.. Con base a los resultados obtenidos en la mezcla de prueba, se redujo la relación A/C y la cantidad de agua en la mezcla, posteriormente se calculo el material requerido para fabricar nueve cilindros del mismo tamaño de las probetas de la mezcla de prueba, que sirvieran como mezcla patrón, y nueve cilindros de concreto de alta resistencia en camisas de dimensión estándar; como los resultados obtenidos no fueron los esperados, se elaboraron diez y ocho cilindros para dos mezclas con diferente relación A/C. Estas probetas se fabricaron en camisas de 20 cm de alto, por 10 cm de diámetro.. Los cilindros se.

(48) 2002 – II – IC – 37. sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición, y se fallaron tres a los 7 días de edad y tres a los 28 días de edad. Con los resultados obtenidos se fijo la relación A/C y la cantidad de agua para la mezcla del concreto de resistencia normal.. Una vez lograda la resistencia de 3000 psi en el concreto, se diseño una mezcla para concreto de alta resistencia. Este diseño se baso en investigaciones anteriores en cuanto al contenido de cemento en la mezcla, a sugerencias de Sika Andina S.A. para la utilización del superplastificante, al porcentaje de carburo de silicio con respecto al contenido de cemento para cada cilindro, y a las características de los materiales empleados en la producción del concreto de resistencia normal.. Con los resultados obtenidos en cuanto a las propiedades en estado fresco y en estado endurecido a los 7 días de edad de esta mezcla, se calculo por medio de una formula la resistencia a los 28 días. Al ver que la cantidad de carburo de silicio era muy baja, se hicieron los cambios correspondientes en el diseño de mezcla buscando obtener un aumento en la resistencia a la compresión, y se repitió este paso hasta lograr obtener un concreto de alta resistencia.. Siguiendo las Normas Técnicas Colombianas, una vez hecha la mezcla se tomó una muestra de concreto fresco y se realizó el ensayo de asentamiento durante los 5 minutos siguientes para que el material no perdiera consistencia y manejabilidad. Se procuro que este ensayo no durara más de 2 minutos y medio en total, por lo que solo se pudo hacer un ensayo de asentamiento por mezcla..

(49) 2002 – II – IC – 37. 5.2 TAMAÑO DEL GRANO Aunque a la hora de conseguir el carburo de silicio se puede encontrar en diversos tamaños, se adicionaron partículas de 0.149 mm (tamaño correspondiente al Tamiz No. 100), ya que al hacer la caracterización del agregado para la mezcla, se encontró que la mezcla más adecuada carecía de agregados finos de menor tamaño.. 5.3 TIPO DE ADICIÓN Luego de mezclar el cemento con la arena se adiciono el carburo de silicio en estado sólido, y una vez estaban mezclados homogéneamente éstos se adiciono el agregado grueso (gravilla), por ultimo se adicionó el agua con superplastificante y se mezcló hasta obtener un material homogéneo.. 5.4 HERRAMIENTAS Y EQUIPOS. 5.4.1 Ensayos al agregado. Para realizar la caracterización de los agregados, se utilizaron las siguientes herramientas y equipos:. •. Un Juego de tamices de la serie Tyler.. •. Picnómetro.. •. Horno.. •. Balanza.

(50) 2002 – II – IC – 37. •. Bandeja.. Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 7.. 5.4.2 Mezcla y fundición de cilindros. La mezcla del concreto se hizo por medio del método del cono, que consiste en mezclar con pala el cemento con la arena hasta obtener una mezcla de color homogéneo, a ésta se le añade el agregado grueso y se revuelve hasta obtener la misma condición anterior, está mezcla se acondiciona en forma de cono, al cual se le aplana la parte superior y se le abre un agujero en el centro para adicionar allí el agua de mezclado. Para este proceso se utilizó:. •. Pala.. •. Balanza. •. Balde.. •. Camisas. •. Varilla de compactación. •. Palustre. •. Cuchara. Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 8..

(51) 2002 – II – IC – 37. Para la fundición de los cilindros se utilizaron camisas de 30 cm de alto y 15 cm de diámetro para los cilindros de concreto de alta resistencia.. Para la fundición de los. cilindros de concreto de resistencia normal se utilizaron camisas de 20 cm de alto y 10 cm de diámetro. Estas camisas fueron acondicionadas para la fundición del concreto, para esto se utilizó estopa y ACPM (también puede utilizarse aceite mineral); la estopa se humedeció con ACPM para colocar una capa superficial de engrase a las paredes y fondo de los cilindros con el fin de facilitar y prevenir que se maltrataran las probetas en el momento del desencofrado, y evitar que el concreto se pegara a las camisas. Para la limpieza y uso de los cilindros se necesito un trapo y un juego de llaves de ¾ y 7/8 de pulgada para las camisas pequeñas y grandes, respectivamente.. Las camisas mencionadas se presentan en el Anexo No. 8.. 5.4.3 Prueba de asentamiento. Para esta prueba se utilizó:. •. Bandeja. •. Cono de asentamiento. •. Varilla de compactación. •. Palustre. Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 9..

(52) 2002 – II – IC – 37. 5.4.4 Curado. La capacidad de ligar que tiene la pasta de cemento se debe a la hidratación, reacción química entre el cemento y el agua.. Cuando el concreto fragua su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene poros llenos de agua y aire que no tienen resistencia. Por lo tanto, entre menos porosa sea la pasta de cemento mucho más resistente es el concreto.. Es importante conocer la velocidad de reacción entre el cemento y el agua porque la velocidad determina el tiempo de fraguado. Una vez endurecido el concreto si se vuelve a saturar de agua luego de un periodo de secado inicial, la hidratación se reanuda y la resistencia vuelve a aumentar. Este nuevo proceso de saturación se llama curado, y es aconsejable hacerlo de manera continua desde el momento en que se ha colocado hasta cuando cumpla con la edad requerida para medir su resistencia.. Siguiendo las especificaciones de la Norma Técnica Colombiana NTC-550 (Elaboración y curado de especimenes de concreto), las probetas se sumergieron dentro de canecas de agua 24 horas después de su fundición. Una vez cumplida la edad requerida para fallarlas, se sometieron a secado al aire libre por 2 horas.. 5.4.5. Refrentado de cilindros.. Los cilindros fundidos en las camisas pequeñas se. refrentaron según la Norma Técnica Colombiana 504. Este proceso consiste en hacer perpendiculares las caras al eje del cilindro, para esto se necesitó una estufa, un recipiente para fundir el azufre y un pedestal con guía para colocar la tapa de azufre a los cilindros..

(53) 2002 – II – IC – 37. Estas herramientas y equipos se presentan e el Anexo No. 10.. Los cilindros de concreto de alta resistencia se fallaron utilizando laminas de neopreno.. 5.4.6 Falla de cilindros. Las pruebas sobre los especimenes de concreto son iguales sin importar la resistencia esperada del concreto. En Norma Técnica Colombiana NTC-673 se establece una velocidad de carga de 1.3 mm/min para maquinas de falla de tipo tornillo, y una velocidad de movimiento (velocidad de plato a la cruceta) entre 0.14 – 0.34 Mpa/s, que corresponde a la velocidad de carga sobre el espécimen, permitiendo la velocidad más alta para el inicio de la carga.. Para encontrar la resistencia a la compresión de las probetas de concreto se utilizó la Maquina Universal marca Forney del CITEC, Anexo No. 10.. 5.5 MEZCLAS Y NUMERO DE PROBETAS Por medio del presente cuadro indico las mezclas de concreto elaboradas y el numero de probetas fabricadas: MEZCLA Mezcla de Prueba para obtener concreto de 3000 psi Primera Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón Mezclas para mejorar la resistencia del concreto de resistencia normal Segunda Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón Tercera Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón Cuarta Mezcla de Concreto de Alta Resistencia y Mezcla patrón. Tabla 10. Mezclas y numero de probetas fabricadas. PROBETAS 3 18 12 18 18 18.

(54) 2002 – II – IC – 37. Las probetas de la Mezcla de Prueba se nombraron MP, se enumeraron antes de iniciar el proceso de curado. Se calculó entonces la cantidad de materiales necesaria para fabricar tres cilindros de estas dimensiones. Los cilindros se sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición, y dos de ellos se fallaron a los 7 días de edad, el otro cilindro se falló a los 28 días de edad.. De acuerdo a los resultados obtenidos en cuanto a la resistencia a los 7 días, se elaboro la primera mezcla de concreto de alta resistencia y una mezcla patrón, para observar el cambio en la resistencia del concreto adicionado con respecto al concreto de resistencia normal. Gracias a esta mezcla se pudo evaluar el asentamiento del concreto en estado freso, y hacer las correcciones pertinentes para conseguir el asentamiento de un concreto de consistencia normal (Asentamiento entre 5 y 10 cm), que es el requerido en la fundición de columnas, vigas y en general elementos estructurales en el medio colombiano.. Los. cilindros se sometieron a un proceso de curado 24 horas después de su fundición. De cada mezcla se elaboraron nueve probetas, de las cuales tres se fallaron a los 7 días, otras tres a los 28 días, y las restantes a los 56 días de edad.. Con base a los resultados obtenidos, se hicieron correcciones en la relación A/C y se elaboraron las mezclas A y B para mejorar la resistencia obtenida en la mezcla de prueba y en la primera mezcla patrón. De ambas mezclas se elaboraron 6 probetas que permitieron evaluar el asentamiento, y definir la relación A/C a utilizar en las siguientes mezclas..