INFLUENCIA DE LOS MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN SOBRE LA CALIDAD DEL HORMIGÓN ESTRUCTURAL
Oscar Alfredo Cabrera Profesor Adjunto Área de Materiales Depto. de Construcciones Facultad de Ingeniería - UNCPBA Del Valle 5737 - (7400) Olavarria Fax: 54-284-26628 ARGENTINA INTRODUCCIÓN
La dosificación o el diseño de las mezclas de hormigón presenta una amplia variedad de posibilidades y de métodos, que representa un papel importante en la calidad del hormigón. Es necesario mantener en todas las etapas de la construcción de una obra de hormigón la calidad y homogeneidad de los materiales. Además, las proporciones relativas entre los componentes deben guardar una constancia para que en el estado endurecido las propiedades fundamentales del hormigón, durabilidad y resistencia, permanezcan dentro de un rango aceptable y controlado. La homogeneidad del hormigón permite asegurar que en todos sus puntos se cumplen las hipótesis de calculo (isotropía, igual modulo de elasticidad y resistencia mecánica), y que por lo tanto no existirán dentro de la estructura puntos débiles donde se sobrepase la resistencia intrínseca del hormigón o donde se puedan originar problemas de patología estructural.
Se debe lograr una dosificación que en el estado fresco permita obtener una adecuada colocación, compactación y terminación, y además, que pueda envolver perfectamente las armaduras, asegurando su máxima protección contra la corrosión. Las proporciones de materiales elegidas deberán asegurar las resistencias mecánicas y al desgaste, y resistir debidamente la acción destructiva del medio ambiente al que la estructura estará expuesta durante el período de vida útil, con los mínimos gastos de mantenimiento y reparación.
El método de dosificación a utilizar debe de estar de acuerdo con la capacidad de ejecución y de control de la obra. Es necesario compatibilizar o buscar una mezcla que cumpla las condiciones técnicas al menor costo.
En la ejecución de obras pequeñas, en lugares distantes de los grandes centros urbanos, generalmente suele existir desconocimiento acerca de las recomendaciones de los reglamentos vigentes, tanto en los pliegos, como en los responsables de la inspección y de la construcción, con el resultado de una obra de inferior calidad y con un menor coeficiente de seguridad respecto a la proyectada. Glanville sostiene que la diferencia entre la mano de obra y la supervisión buena y mala, puede estar representada por la diferencia entre una vida del hormigón casi indefinida y una vida de apenas unos cuantos años.
La calidad del hormigón se evalúa por medio de un conjunto de características cuantitativas y cualitativas del mismo y de sus materiales componentes, que deben satisfacer un determinado requisito. Neville sostiene que los materiales empleados para elaborar un hormigón "malo" son exactamente los mismos que los empleados en otro "bueno",
la diferencia radica tan solo en conocimientos prácticos, en el "saber como", que generalmente no representa un costo adicional en la mano de obra [1].
DOSIFICACIONES DE OBRAS PEQUEÑAS Y MEDIANAS
Hasta principios de siglo las proporciones de los hormigones se efectuaba en forma empírica. Recién en el año 1918, Abrams establece la relación que existe entre la resistencia y la razón agua/cemento. A partir de allí se comenzaron a relacionar las propiedades reológicas y mecánicas con las cantidades relativas de los componentes. Actualmente, existen numerosos métodos racionales y equipos dosificadores que permiten llevar a la practica mezclas con alto grado de confianza. Pero en la mayoría de las obras pequeñas y medianas raramente se emplean dosificaciones en peso u hormigón elaborado.
Las dosificaciones empíricas se emplean en los casos de obras constituidas por elementos constructivos simples, primarios, y de importancia estructural secundaria, siempre y cuando lo acepte el Director de Obra. Además, deben ser de pequeño volumen, no estar expuestas a la acción de la intemperie ni a un medio ambiente agresivo o perjudicial. El procedimiento no podrá aplicarse en el caso de estructuras: aporticadas, pretensadas, laminares, sometidas a solicitaciones dinámicas, calculadas en régimen de rotura, donde las deformaciones son el factor determinante o en losas sin vigas. El cemento y los agregados de peso normal serán de características bien conocidas y no se emplearan aditivos. El asentamiento no excederá los 16 cm. El calculo de los elementos estructurales se realizara suponiendo que los hormigones tienen una resistencia característica a compresión a 28 días, menor o igual a 8 MPa [2].
Por otra parte, al no medir los materiales en peso, la variedad de proporciones posibles dan como resultado una gama de mezclas, con diferentes propiedades tanto en el estado fresco y como en el endurecido.
Factores que influyen en la calidad del hormigón
En las dosificaciones por volumen dos factores son importantes para la determinación de la resistencia final del material: el contenido de agua y la relación "agregados totales/cemento". Estos dos parámetros, analizados conjuntamente tienen en cuenta indirectamente la razón "agua/cemento".
Los cambios permanentes en la razón "agregados totales/cemento" se deben a las variaciones en la medición de los mismos. Las cantidades de materiales que se incorporan a la hormigonera cuando se emplea un balde de aproximadamente 8 litros se indican en la tabla I. Las variaciones registradas en la medición de los materiales, evaluadas con criterio estadístico, distan apreciablemente de las tolerancias establecidas por el reglamento CIRSOC-201 [3] con respecto a las mediciones en peso. Además, el valor correspondiente a la arena esta fuertemente influenciado por el esponjamiento de la misma.
El estudio desarrollado se baso en 40 pastones dosificados en volumen teniendo en cuenta los amplios rangos de variación que se aprecian en la tabla I. Se obtuvo la resistencia en función de la relación "agregados totales/cemento" en volumen, para dos grados de
consistencia (7+2.5 y 13+2.5 cm de asentamiento), figura 1. Los materiales empleados fueron arena granítica triturada 0-4 mm, piedra partida granítica 6-20 mm y cemento portland normal. En la figura 2, se representan los mismos valores de resistencia en función de la razón agua/cemento correspondiente, incluyendo la curva de aproximación en base a la formula de Feret.
Tabla I: Medición de materiales por volumen [4]
MATERIAL CEMENTO ARENA AGREGADO GRUESO
Peso por balde
[kg] 8.43 10.40 9.85 Peso unitario [kg/m3] 940 - 1270 1580 - 1010 1090 - 1390 Variación de la medición [%] ± 17% ± 22% ± 14% Tolerancias CIRSOC ± 3% ± 3% ± 3%
En la tabla II se indica la precisión que se puede obtener para diferentes niveles de resistencia, cuando las mezclas se dosifican en volumen teniendo en cuenta las variaciones indicadas en la tabla I. En el caso de dosificar el cemento en peso o por bolsa, y los restantes materiales por volumen, las variaciones de resistencia indicadas, se reducen a un tercio. Ante la incertidumbre que este método de dosificación presenta, solo deberá emplearse en obras de menor importancia donde no se justifique un control mas estricto y los coeficientes de seguridad utilizados sean elevados. Para obras pequeñas la recomendación ACI-211 aconseja dosificaciones que aseguran resistencia y durabilidad, donde la relación "agregados/cemento" varia entre 3.8 y 4.2 [5].
Tabla II: Efecto de la medición por volumen de los materiales en la resistencia del hormigón [4]
NIVEL RESISTENTE
[MPa] CONTENIDO DE CEMENTO [kg/m3] PRECISION DEL METODO DE DOSIFICAR POR
VOLUMEN [%]
15 225 ± 38 ± 42
20 280 ± 47 ± 38
25 325 ± 55 ± 35
30 365 ± 62 ± 33
INFLUENCIA DE LA DOSIFICACIÓN POR VOLUMEN EN EL HORMIGÓN FRESCO La trabajabilidad del hormigón en el momento de ser colocado en los encofrados o moldes, deberá ser acorde con el equipo de compactación disponible. Esta propiedad esta directamente relacionada con: la capacidad de expulsar el aire atrapado durante el mezclado, la eficiencia para rodear las armaduras y la cohesión necesaria para evitar la segregación durante la etapa de colocación y compactado. En muchos casos, a pesar de disponerse de un material de buenas características, los recubrimientos suelen ser insuficientes y la separación de armaduras inadecuada provocando la existencia de oquedades llamadas "nidos de abejas". En estos puntos débiles falta la alcalinidad pasivante del hormigón sobre el acero, que permite su rápida corrosión. Ensayo del Tronco de Cono para estimar uniformidad
Probablemente C. M. Chapman, en el año 1913, fue quien sugirió por primera vez el concepto de asentamiento como una medida de la consistencia. En el año 1922 el ensayo del tronco de cono o de asentamiento (slump test) fue normalizado por ASTM. A pesar de tener mas de ochenta años, este ensayo no se considera obsoleto. Sólo el desarrollo de un nuevo ensayo, de mejor comportamiento lo haría obsoleto. Este ensayo permite medir adecuadamente y casi instantáneamente la "uniformidad" del hormigón entre diferentes porciones de un pastón o entre pastones; provee una limitada información sobre la trabajabilidad y una cualitativa información sobre la cohesión de la mezcla. No ha sido desarrollado para determinar otras propiedades, tales como la resistencia [6].
Tiene una limitación en el rango de consistencias, desde medio plástica hasta altamente plástica. Para mezclas muy secas o muy fluidas es necesario aplicar otros ensayos. Es un ensayo "económico" en tiempo, equipamiento, y labor de operación. La sensibilidad en las medición del asentamiento esta directamente relacionada con el hecho de que éste es función de la potencia décima del contenido de agua. Así, pequeños cambios en el contenido de agua o de pasta (o contenido de agregados) debidos a errores de mezclado o pesada, magnifican cambios en el asentamiento. Esto no es una desventaja, sino su mayor ventaja. La aplicación de este ensayo en obra permite establecer la uniformidad del material elaborado, y observar el grado de cohesión de la mezcla y su aspecto (arenoso o pedregoso), a fin de efectuar
correcciones. A modo de análisis se informan los valores obtenidos en dos obras pequeñas:
Obra N 1:corresponde al pavimento de una playa de estancamiento. La dosificación de los materiales, de igual procedencia y tipo que los utilizados en las experiencias del punto 2, fue realizada por volumen. Los valores del asentamiento extremadamente variables, fueron remitidos por el comitente y la resistencia fue obtenida en nuestro laboratorio. El criterio de la empresa fue no "invertir mas dinero" en un mayor control, considerando a éste como un gasto.
Obra N 2:corresponde a la producción de postes premoldeados de una fábrica con tecnología precaria, donde el cemento y el agua se dosificaron en peso y los agregados en volumen. El recipiente de medición de los agregados fue de 0.50 m3 y se enrasó cuidadosamente. Los valores del asentamiento fueron medidos por el autor en planta.
En la primera obra el asentamiento se mantiene fuera de los límites o tolerancia fijada por el reglamento CIRSOC-201 (+ 2.5 cm) y por otra parte, la resistencia fluctúa ampliamente (+ 45 %). En cambio, en la obra N 2, el asentamiento muestra una uniformidad que le permite mantenerse dentro de la tolerancia. En el estado endurecido el comportamiento del hormigón muestra un grado de uniformidad similar. A los 28 días las resistencias se encuentran en un rango de ± 10 %, salvo tres de los treinta y cinco valores informados.
INFLUENCIA DE LA DOSIFICACIÓN POR VOLUMEN EN EL HORMIGÓN ENDURECIDO La resistencia esta íntimamente vinculada con las restantes propiedades del hormigón. En la producción de pastones de este material donde se observan deficiencias de calidad, como pueden ser excesiva fluidez, falta de cohesión, mezclas ásperas, alta exudación, no será necesario esperar veintiocho días, deberá rechazarse el material e implementar el control para lograr un nivel de resistencia aceptable. Efectuar el control de calidad sólo por medio de un histograma no es adecuado en el sentido que no permite conocer en que parte de la estructura se encuentra el 5 % de valores menores que la resistencia característica, f'c. El reglamento CIRSOC-201 establece dos cartas de control (gráficos Shewhart) cuando se dispone de seis o mas pastones, para determinar si el hormigón satisface la calidad fijada. Los limites de dichas cartas son:
a)La resistencia media de rotura a compresión determinada con los resultados correspondientes a cada serie de tres pastones consecutivos, será mayor o igual a:
f'c + 4.5 MPa, para f'c = 13-17 MPa f'c + 5.0 MPa, para f'c = 21-47 MPa
b)Ningún resultado de ensayo tendrá una resistencia menor del 85 % de la resistencia característica especificada.
La falta de cumplimiento de las condiciones significará que el hormigón colocado en la estructura y representado por las probetas
ensayadas, no satisface los requisitos de calidad establecidos. Aplicando cartas de control a la producción de hormigón de la obra N 1, los 50 primeros valores de resistencia se encuentra por encima del 85 % de f'c, con una media de 24.6 MPa, figura 3. Respecto a la media móvil, el hormigón de los pastones 14 a 22 se encuentran por debajo del mínimo establecido para un hormigón H-17 (f'c = 17 MPa), es decir los once pastones que forman las series de menor resistencia debieron ser rechazados, esto es : el 22 % de la producción.
Los 35 pastones de la obra N 2 superan el 85 % de f ' c = 30 MPa, con un valor medio de 38.2 MPa. Sólo una serie no cumplen con el valor de 35 MPa fijado por CIRSOC. Es decir que los tres pastones que forman la serie tienen una resistencia característica menor de 30 MPa (hormigón H-30).
La diferencia entre los controles aplicados en las dos obras no es extremadamente grande. Ambas dosificaciones son empíricas, aunque en la obra N 2 el agua y el cemento se miden en peso. El descontrol en el dosaje del hormigón de la obra N 1 se ve reflejado primero en los valores de asentamiento y luego en los de resistencia, donde los márgenes de fluctuación son de ± 45 %. Además, el alto valor del coeficiente de variación, tabla III, nos indica que el grado de control es "deficiente". En cambio en la obra N 2 la resistencia se mantuvo en un rango de ± 10 %, con un coeficiente de variación bajo, indicando un control "bueno".
Tabla III: Valores correspondientes a obra OBRA RESISTENCIA
MEDIA [MPa] RESISTENCIA CARACTERIST ICA [MPa]
DESVIACION
[MPa] COEF. DE VARIACION
No. 1 24.6 15.2 5.7 23.2%
No. 2 38.2 32.4 3.5 9.2%
Los ensayos que se efectúan en obra deben servir para la toma de decisiones respecto al modo o al sistema de producción. Dicha situación que no se considero en la obra N 1; las mezclas con consistencias demasiado fluidas debieron ser rechazadas y la producción ajustada. Este ajuste puede consistir en elevar la resistencia media mediante el incremento del contenido de cemento o en ajustar todo el procedimiento de manera de reducir las variaciones de calidad.
INFLUENCIA DE LA DOSIFICACIÓN SOBRE LA DURABILIDAD
La permeabilidad de la pasta de cemento hidratada es función de la porosidad capilar, que a su vez esta gobernada por la razón agua/cemento y por el grado de hidratación. Entonces, estos parámetros son los que controlan principalmente la permeabilidad de la pasta de cemento. Pastas de relación agua/cemento 0.30 tienen una permeabilidad mil veces menor que otra de relación 0.70. En el hormigón, si los agregados tienen una permeabilidad mas baja que la pasta, su presencia reduce el área de efectiva del flujo de agua. Además, la trayectoria
del flujo de agua se incrementa al tener que rodear las partículas de agregado.
La permeabilidad se vincula con los proceso de patológicos más comunes de las estructuras de hormigón armado (corrosión de armaduras, lixiviación del C(OH)2, ataque de sulfatos o líquidos acidos, congelación y deshielo), al permitir el ingreso de aguas y gases conteniendo sustancias agresivas [1].
Las experiencias de laboratorio descritas en el punto 2 y los valores obtenidos en la obra N 1, cuantifican de una manera similar la poca precisión de las dosificaciones en volumen (± 40 %). La falta de uniformidad "medida" en los estados fresco y endurecido, indican una durabilidad sospechosa basada en la alta variabilidad de la relación agua/cemento. Gran parte del hormigón de la obra N 1 tiene una resistencia del orden de 20 MPa, y de acuerdo al gráfico de la figura 2, la razón agua/cemento se puede estimar superior a 0.70. Valor que supera el rango de 0.40 a 0.50, estipulado para asegurar la durabilidad frente a congelación y deshielo, ataque de sulfatos, agua de mar, etc. Resumiendo, el 22 % de pastones de la obra N 1 resultó de muy baja calidad, que en la estructura serán puntos probables de comienzo de procesos patológicos. Con un control mínimo se pueden obtener importantes reducciones en el rango de fluctuación (obra N 2).
Es necesario producir hormigones que den origen a estructuras durables, de manera que los gastos de mantenimiento y reparación sean mínimos. No sólo la calidad del hormigón debe ser tenida en cuenta, sino también la calidad del proyecto y de la ejecución. Los técnicos tienen en sus manos métodos sencillos para controlar la homogeneidad del material y deben insistir sobre el logro de estructuras durables. CONSIDERACIONES FINALES
Los análisis efectuados en el presente trabajo sobre datos de laboratorio y de obras pequeñas permiten efectuar las siguientes conclusiones:
-Un volumen importante de hormigón se produce en obras pequeñas por métodos empíricos, con un alto grado de incertidumbre con respecto a los requisitos mínimos de resistencia y de durabilidad.
-La uniformidad del hormigón en estado fresco medido a través del ensayo de asentamiento, esta directamente relacionada con la uniformidad en la resistencia. Siendo el ensayo de asentamiento un elemento válido para el rechazo de material de inadecuada consistencia y aspecto.
-Problemas generalizados de patología (corrosión de armaduras, abrasión, fisuras) están relacionados con la deficiente dosificación empleada en la construcción de estructuras. Siendo necesario desalentar el uso de dosificaciones empíricas y promover el control de obra por medio de métodos sencillos y sensibles. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]Neville, A. "Tecnología del Concreto" Ed. Limusa-(1989) [2] PRAEH - Proyecto de Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón - Editado por INTI - (1964)
[3]CIRSOC-201 "Proyecto, Calculo y Ejecución de Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado" Tomo 1 - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles - Editado por INTI - (1982) [4] Cabrera, O. "Dosificaciones por Volumen con Agregados Triturados" Proc. 10a. Reunión Técnica AATH - (1991)
[5]ACI-211.1 "Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight and Mass Concrete" ACI Manual Concrete Practice - Part 1 - (1991) [6] Popovics, S. "The Slump Test is Useless - Or Is It?" Concrete International Vol.16 - N 9 - (Septiembre 1994)
