TESIS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
REGIÓN XALAPA
“Empleo de la Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar (CBCA) como Sustituto
Porcentual del Agregado Fino en la Elaboración de concreto Hidráulico”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTA
Eduardo Ríos González
DIRECTOR
Dr. Erick E. Maldonado Baldala
Co-DIRECTOR
Dr. Miguel Baltazar Zamora
Xalapa Enríquez Veracruz
2011
INDICE
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... i
OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................................ ii
OBJETIVOS PARTICULARES .................................................................................. ii
JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................ iii
CAPITULO I ................................................................................................................. 1
1.1 CONCRETO .......................................................................................................................... 1
1.1.2 GENERALIDADES ........................................................................................................... 1
1.2 CEMENTO PORTLAND ....................................................................................................... 2
1.2.1 ANTECEDENTES DEL CEMENTO............................................................................. 3
1.2.2 FABRICACIÓN............................................................................................................. 4
1.2.3. CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS ................................................................ 6
1.2.4 ESPECIFICACIONES FÍSICAS Y MECÁNICAS...................................................... 8
1.3. ÁRIDOS ............................................................................................................... 8
1.3.1. ÁRIDO FINO ...................................................................................................................... 9
1.3.1.1.- GRANULOMETRÍA DEL ÁRIDO FINO ................................................................... 10
1.3.1.2. SUSTANCIAS NOCIVAS ..................................................................................... 13
1.3.1.3. IMPUREZAS ORGÁNICAS .................................................................................... 14
1.3.1.4. MÓDULO DE FINURA ................................................................................................... 15
1.3.2. ÁRIDO GRUESO............................................................................................................. 16
1.3.2.2. GRANULOMETRIA DEL ÁRIDO GRUESO......................................................... 17
1.3.3. CONTENIDO DE HUMEDAD Y ABSORCIÓN, PESO ESPECÍFICO Y PESO
UNITARIO................................................................................................................................ 20
PESO ESPECÍFICO .............................................................................................................. 21
PESO UNITARIO.................................................................................................................... 22
1.4. BANCOS DE MATERIALES ............................................................................... 23
1.4.1. UBICACIÓN DE LOS BANCOS .................................................................................... 24
1.4.1.1. PARÁMETROS GEOMETRICOS ......................................................................... 25
1.4.1.2. PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS ............................................................... 26
1.4.1.3. PARÁMETROS DEL MATERIAL EXTRAÍBLE ................................................... 26
1.4.1.4. PARÁMETROS AMBIENTALES ........................................................................... 26
1.4.2. EXPLOTACIÓN DE BANCOS....................................................................................... 27
1.4.2.1. MÉTODO Y SISTEMA DE EXPLOTACIÓN ........................................................ 29
1.4.3. EFECTOS AMBIENTALES ............................................................................................ 30
1.5. MATERIAL DE RESIDUOS AGRÍCOLAS .......................................................... 32
1.5.1. UBICACIÓN DEL INGENIO LA CONCEPCIÓN VER. ..................................... 33
1.5.2. PRODUCCIÓN DE LA CAÑA DE AZÚCAR ............................................................... 35
1.5.3. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA (CBCA) ............................................................... 37
1.5.4. ANTECEDENTES DE INVESTIGACIÓN RECIENTES DE (CBCA) EN LA
ELABORACION DE CONCRETO ....................................................................................... 41
CAPÍTULO II .............................................................................................................. 45
Metodología experimental ....................................................................................... 45
2.1 MATERIALES ....................................................................................................................... 45
2.1.1 CEMENTO PORTLAND COMPUESTO (CPC) ........................................................... 45
2.1.2. MATERIALES ÁRIDOS .................................................................................................. 45
2.1.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ÁRIDO FINO ................................................................. 46
Porcentaje de absorción ............................................................................................................ 46
2.1.2.2. CARACTERIZACION DEL ÁRIDO GRUESO ......................................................... 48
2.1.3. MATERIALES AGROINDUSTRIALES DE SUSTITUCIÓN .................................... 49
2.1.3.1. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA (CBCA) ............................................................ 50
2.1.4.-AGUA DE MEZCLADO. ................................................................................................. 51
2.2.-PROPORCIONAMIENTO DE LA MEZCLA DE CONCRETO ..................................... 51
2.2.1.-MÉTODO ACI PARA DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO. “VOLÚMENES
ABSOLUTOS” ............................................................................................................................ 52
2.3. DOSIFICACIÓN DE CBCA EN LA MEZCLA ................................................................. 59
2.4. ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS DE ENSAYO .................................................... 60
2.4.1 PREPARACIÓN DE LOS MOLDES DE LAS PROBETAS .................................... 60
2.4.2.- ELABORACIÓN DE LA MEZCLA Y COLADO DE LAS PROBETAS ................ 61
2.4.3. ENSAYO DE REVENIMIENTO DE LA MEZCLA .................................................. 61
2.4.4. COLADO DE LAS PROBETAS ................................................................................. 64
2.4.5. CURADO DE LAS PROBETAS ................................................................................ 65
2.5. ENSAYOS PRACTICADOS AL CONCRETO ENDURECIDO .................................... 66
2.5.1. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE ....................................................... 66
2.5.2. MÉTODO DE PRUEBA DE PERMEABILIDAD PARA EL CONCRETO ................ 69
2.5.3. ENSAYO DE ABSORCIÓN CAPILAR ......................................................................... 71
2.5.4. ENSAYO DE ABSORCION DE AGUA ( % DE ABSORCIÓN TOTAL) .................. 74
2.5.5. ENSAYO DE POROSIDAD ........................................................................................... 76
CAPÍTULO III .............................................................................................................................. 77
ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................... 77
3.1. EVALUACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES. .................... 77
3.2. MÉTODO ACI PARA DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO. “VOLÚMENES
ABSOLUTOS” ............................................................................................................................ 78
3.3. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE ............................................................. 79
3.4. MÉTODO DE PRUEBA DE PERMEABILIDAD PARA EL CONCRETO ............ 85
3.4.1. ENSAYO DE ABSORCIÓN CAPILAR ......................................................................... 85
3.4.2.- Ensayo de absorción, densidad y de porosidad ....................................................... 98
3.4.2.1.-Grafica del ensayo de adsorción de agua (% de Absorción total) ............. 100
3.4.2.2.-Grafica del ensayo de densidad .......................................................................... 102
3.4.2.3.-Grafica de ensayo de porosidad (porosidad total) ......................................... 103
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................... 104
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 105
Referencias Bibliográficas .................................................................................... 106
INTRODUCCIÓN
El concreto se puede definir como un material compuesto que consiste en un
medio de enlace dentro del cual se embeben partículas o fragmentos de
agregado, para ello se utiliza un cemento hidráulico, agua, triturado y arena.
Las obras de ingeniería que se realizan en la mayoría de los países desarrollados
o medianamente desarrollados, utilizan como material de construcción el concreto
en sus diversas formas. Como consecuencia debido al volumen de materiales que
se extraen, procesan, elaboran y consumen, el impacto ambiental que se genera
es importante y si se considera la cantidad de material de desecho, producto de la
demolición de obras fuera de servicio, el resultado es aún mayor.
Por su condición de estar constituido por materiales abundantes a lo largo del
planeta, de fácil obtención, económico y de uso muy difundido y aceptado, es
difícil pensar en alternativas viables, al menos en un futuro próximo, que
modifiquen sensiblemente el consumo de cemento y agregados.
Es por eso que se debe enfrentar el desafío de reformular en lo posible todo el
ciclo constructivo de manera que nos permita contribuir al objetivo generalizado de
encaminar nuestra actividad con productos, diseños y procesos que aseguren la
vía de la sustentabilidad.
Es dentro de este contexto que aparece la Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar
(CBCA), la cual es un subproducto no metálico obtenido de la fabricación de
azúcar. Su composición química tiene propiedades similares a la del cemento
Portland, lo cual la hace un material de desecho altamente interesante para su uso
de la fabricación del concreto, el cual en esta investigación va hacer utilizada
como agregado fino (arena).
i
La introducción de la CBCA como un nuevo material de construcción no es trivial,
especialmente cuando hay vidas humanas que dependen de la solidez de una
construcción; en la
presente investigación se analizaran y se le darán una
explicación a los siguientes objetivos.
Desarrollar
mejores
características
en
incrementando las resistencias mecánicas y
la
creación
del
concreto,
de durabilidad haciendo uso de
materiales de desecho agroindustrial, como la CBCA, en sustitución porcentual
del árido fino.
Se analizará la influencia que puede ejercer el diferente criterio de sustitución
utilizado para remplazar los áridos finos convencionales, por la CBCA como árido
sobre las propiedades del concreto diseñado.
Evaluar con base a los resultados obtenidos de las probetas, si es factible la
alternativa de utilizar la CBCA como sustituto de árido fino para concreto.
Reciclar un producto agroindustrial y darle uso en el área de la construcción como
sustituto de árido fino (arena).
Con base a lo anterior se darán las bases del comportamiento de un concreto
modificado en relación porcentual en el agregado fino sustituido por ceniza de
bagazo de caña de azúcar.
OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN
Evaluar el comportamiento mecanico y fisico de un concreto hidráulico,
influenciado por la sustitución porcentual del agregado fino, por un
desecho agroindustrial como lo es la ceniza de bagazo de caña de azúcar
(CBCA.), proveniente del ingenio la Concepción, Ver., con relación a un
concreto convencional.
OBJETIVOS PARTICULARES
Desarrollar
mejores
características
en
la
creación
del
concreto,
ii
incrementando las resistencias mecánicas y de durabilidad haciendo uso
de materiales de desecho agroindustrial, como la CBCA, en sustitución
porcentual del árido fino.
Analizar la influencia que puede ejercer el diferente criterio de sustitución
utilizado para remplazar los áridos finos convencionales, por la CBCA
como árido sobre las propiedades del concreto diseñado.
Evaluar con base a los resultados obtenidos de las probetas, la factibilidad
alternativa de utilizar la CBCA como sustituto de árido fino para concreto.
Reciclar un producto agroindustrial y darle uso en el área de la
construcción como sustituto de árido fino (arena) en la fabricación del
concreto.
JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Se sabe que la durabilidad del concreto está ligada a la durabilidad individual
de sus componentes y de estos, los áridos son los señalados como principales
modificadores de esta.
La importancia de obtener concreto de resistencia estable, de durabilidad
óptima, con las proporciones adecuadas dependiendo de la proveniencia del
agregado, debido a que muchos de los bancos de materiales no cuentan con
la calidad suficiente para fabricar un concreto con las características
requeridas. Por lo cual la razón principal del enfoque de esta investigación, es
la implementación de la ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA), como
sustituto porcentual de árido fino en la elaboración de concreto, la cual ya se
ha estudiado anteriormente en sustitución de cemento dando resultados
favorables.
iii
Con lo cual se busca lograr mejorar las características de dicho concreto, a
base de utilizar un material el cual es considerado como
desecho
agroindustrial y que por lo regular solo se le da uso para fertilizar el suelo de
cultivo.
Con esta alternativa que se propone en este estudio para la elaboración de
concreto, se ve beneficiado: el sector económico, social y ambiental.
iv
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 CONCRETO
Actualmente en el ámbito de la construcción el concreto es uno de los materiales
existentes con mayor demanda debido a la diversidad que este presenta,
permitiendo además un ahorro en costos de obra en las diferentes construcciones
en las que se aplica dicho material, siendo necesario elaborar métodos que nos
permitan obtener un óptimo rendimiento.
El concreto es básicamente una mezcla de dos componentes: agregados y pasta.
La pasta, compuesta de cemento portland y agua, une los agregados,
normalmente arena y grava, los cuales conforman el cuerpo del material, creando
una masa que al endurecer forma una roca artificial.
La calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado y de la
unión entre los dos. En un concreto adecuadamente confeccionado, cada y toda
partícula de agregado es completamente cubierta por la pasta y todos los espacios
entre las partículas de agregados se llenan totalmente con pasta.
1.1.2 GENERALIDADES
El concreto es un material semejante a la piedra que se obtiene mediante una
mezcla cuidadosamente proporcionada de cemento Portland, agua, agregados
fino y grueso, y en algunos casos por aditivos los cuales hoy en día hay una
variedad, que nos ofrecen un concreto con mejores características, los materiales
utilizados deben cumplir con ciertas especificaciones las cuales avalen la calidad
de los mismos.
1
Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los
agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de
partícula que pueden llegar hasta 10mm. El tamaño máximo de agregado que se
emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm.
Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75 % del volumen total
del concreto, su selección es importante. Los agregados deben consistir en
partículas con resistencia adecuada así como resistencias a condiciones de
exposición a la intemperie y no deben contener materiales que pudieran causar
deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de la pasta de cemento y agua,
es deseable contar con una granulometría continua de tamaños de partículas.
El diseño de las mezclas de concreto se basará en la relación agua-cemento
necesaria para obtener una mezcla plástica y manejable según las condiciones
específicas de colocación de tal manera que se logre un concreto de durabilidad,
impermeabilidad y resistencia que esté de acuerdo con los requisitos que se
exigen para las diversas estructuras, según los planos y especificaciones. La
relación agua-cemento se indicará en el diseño de la mezcla. [1]
1.2 CEMENTO PORTLAND
La palabra cemento es nombre de varias sustancias adhesivas. Deriva del latín
caementum, porque los romanos llamaban opus caementitium (obra cementicia) a
la grava y a diversos materiales parecidos al concepto que usaban en sus
morteros, aunque no eran la sustancia que los unía.
El Cemento Hidráulico es un material inorgánico finamente pulverizado, que al
agregarle agua, ya sea solo o mezclado con arena, grava asbesto u otros
materiales, tiene la propiedad de fraguar y endurecer, incluso bajo el agua, en
virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que, una vez endurecido,
desarrolla su resistencia y conserva su estabilidad. [2]
2
1.2.1 ANTECEDENTES DEL CEMENTO
El origen del cemento es tan antiguo, como la humanidad ya que la necesidad
que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así como las estructuras
necesarias para su progreso, ha constituido el factor principal en la búsqueda de
materiales para esta finalidad. Su nombre primitivo, o mejor dicho su origen viene
de la ceniza calcinada, el cual era observado porque en la noche el hombre
armaba fuegos, al quedar la ceniza calcinada y mezclada con la lluvia nocturna, se
endurecía.
La cal común se obtiene al calcinar la piedra caliza, la diferencia entre la cal
común y la cal hidráulica radica en que la cal común se endurece en presencia de
CO contenido en el aire y por lo tanto no puede ocurrir bajo el agua; la cal
hidráulica por proceder de calizas impuras, se endurece por la reacción que se
produce entre los elementos constitutivos, lo cual permite que su fraguado pueda
darse bajo agua; de ahí procede el nombre de cal hidráulica. Los egipcios usaron
el yeso además de la cal. Tanto los romanos como los griegos mezclaban cal con
cenizas volcánicas o con tejas de arcillas quemadas, obteniendo un material de
condiciones muy superiores a los de la cal común.
La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas y en las tejas con la
cal para producir lo que es conocido como cemento puzolánico, proveniente del
nombre de Puzzuoli ciudad que queda en el Golfo de Nápoles, Italia, cerca del
Vesubio. En este sitio los Romanos extraían el material volcánico que mezclaban
con la cal, estos utilizaron éste cemento para construir el Coliseo de Roma y el
Pont du Gard. Los griegos obtenían estos materiales en la Isla Santorin.
En la edad media hubo una disminución general en la calidad y uso del cemento.
En 1756 Jhon Smeaton encontró que el mejor mortero se obtenía cuando se
mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad de material arcilloso,
Smeaton fue el primero en conocer las propiedades químicas de la cal hidráulica.
Posteriormente en 1824, Jhosep Aspin conoció los estudios de Smeaton y
3
continuo las investigaciones llegando a obtener un material que al mezclarlo con el
agua reaccionaba dando lugar al endurecimiento de la pasta producida.
Este material endurecido presentaba un aspecto similar al de unas piedras de
construcción extraídas en Inglaterra, en la localidad de Portland. El prototipo del
cemento moderno fue obtenido en 1845 por Isaac Johnson, quien quemo una
mezcla de arcilla y caliza hasta la formación del clinker. En general el cemento
portland, concebido originalmente por la semejanza de color y calidad entre el
cemento fraguado y la piedra de portland, éste cemento se ha conservado en
nuestros días para describir un cemento obtenido en la mezcla minuciosa de
materiales calcáreos y arcillosos y otros materiales que contienen sílice, alúmina y
quemándolos a una temperatura da la formación del clinker.
En 1860-1880 Le Chatelier investigo acerca del peso específico del cemento, Vicat
acerca del fraguado, Abrahams acerca de la relación agua cemento, en USA se
encuentra la PCA (asociación de Cemento Portland), en Suiza se encuentra las
casas de aditivos (Sika y Toxement). En Mexico tenemos las cementeras: Cemex,
Apasco, Cementos Cruz Azul, Moctezuma, Anahiac, Grupo Cementos de
Chihuahua, entre otras.
1.2.2 FABRICACIÓN
Los cementos portland son cementos hidráulicos compuestos principalmente de
silicatos de calcio. Los cementos hidráulicos fraguan y endurecen al reaccionar
químicamente con el agua. Durante esta reacción, llamada hidratación, el cemento
se combina con agua para formar una pasta endurecida.
Los componentes básicos para la fabricación del cemento portland son el óxido de
calcio, óxido de sílice, alúmina y el óxido de hierro. La materia prima necesaria
para tener las cantidades correctas de los componentes básicos es una mezcla de
materiales calcáreos (piedra caliza) y arcillosos.
4
Cuando se está fabricando el cemento se les agregan otras adiciones (cenizas
volcánicas, puzolanas, escorias de alto horno), que cumplen con diferentes
funciones especiales. Estas materias primas se someten a un proceso de
clinkerización (a altas temperaturas), todo esto va a producir un polvo gris oscuro,
que fragua muy rápidamente con el agua, al finalizar este proceso se le adiciona
yeso con el fin de retardar el tiempo de fraguado.
Este proceso se lleva a cabo mediante una serie de etapas:
Explotacion de materias primas:
Consiste en la extracción de las piedras calizas y las arcillas de los depósitos o
canteras, las cuales dependiendo de sus condiciones físicas se hacen los
diferentes sistemas de explotación, luego el material se transporta a la fábrica.
Preparacion y clasificacion de las materias primas:
Una vez extraídos los materiales, en la fábrica se reduce el tamaño de la caliza
siguiendo ciertas especificaciones dada para la fabricación. Su tamaño se reduce
con la trituración hasta que su tamaño oscile entre 5 a
10mm.
Homogenizacion:
Consiste en hacer mezcla de las arcillas y calizas, que ya han sido trituradas, se
lleva por medio de bandas transportadoras o molinos, con el objetivo de reducir su
tamaño hasta el orden de diámetro de medio milímetro. En ésta etapa se
establece la primera gran diferencia de los sistemas de producción del cemento,
(procesos húmedos y procesos secos).
Clinkerizacion:
Consiste en llevar la mezcla homogeneizada a hornos rotatorios a grandes
temperaturas aproximadamente a 1450°C, en la parte final del horno se produce la
fusión de varios de los componentes y se forman gránulos de 1 a 3 cm de
diámetro, conocido con el nombre de Clinker.
5
Enfriamiento:
Después que ocurre el proceso de clinkerización a altas temperaturas, viene el
proceso de enfriamiento en la cual consiste en una disminución de la temperatura
para poder trabajar con el material, éste enfriamiento se acelera con equipos
especializados.
Adiciones finales y molienda:
Una vez que el Clinker se halla enfriado, se prosigue a obtener la finura del
cemento, en la cual consiste en moler el Clinker, después se le adiciona yeso con
el fin de retardar el tiempo de fraguado.
Empaque y distribucion:
Esta última etapa consiste en empacar el cemento fabricado en bolsas de 50 kilo,
teniendo mucho cuidado con diversos factores que puedan afectar la calidad del
cemento, luego se transporta y se distribuye con cuidados especiales. [3]
1.2.3. CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS
La clasificación de los diferentes tipos de cemento de acuerdo a la norma mexicana
NMX-C-414-ONNCCE se muestra en la tabla 1.1. Así como la clasificación de acuerdo a
la clase resistente y características especiales, también estipuladas en la misma norma
descritas en la tabla 1.2.
Tabla 1.1. Tipos de cemento.
Tipo
CPO
CPP
Denominación
Cemento Portland
Ordinario
Cemento Portland
Puzolánico
Descripción
Es el cemento producido a base de la
molienda de clinker Portland y usualmente
sulfato de calcio.
Es el conglomerante hidráulico que resulta
de
la
molienda
Portland,
conjunta
materiales
de
clinker
puzolánicos
y
6
usualmente sulfato de calcio.
Cemento Portland Es el conglomerante hidráulico que resulta
CPEG
con
escoria de
la
molienda
granulada de alto Portland,
horno
conjunta
escoria
de
de
alto
clinker
horno
y
usualmente sulfato de calcio.
Es el conglomerante hidráulico que resulta
de
CPC
Cemento Portland
Compuesto
la
molienda
conjunta
de
clinker
Portland, usualmente sulfato de calcio y
una mezcla de materiales puzolánicos,
escoria de alto horno y caliza. En el caso
de la caliza, este puede ser el único
componente.
Cemento Portland
CPS
con
humo
de
sílice
Es el conglomerante hidráulico que resulta
de
la
molienda
conjunta
de
clinker
Portland, humo de sílice y usualmente
sulfato de calcio.
Es el conglomerante hidráulico que resulta
Cemento
CEG
con de
la
escoria granulada Portland
de alto horno
molienda
y
conjunta
de
mayoritariamente
clinker
escoria
granulada de alto horno y sulfato de
calcio.
Tabla 1.2. Clasificación de los cementos.
Tipo
Clase resistente
CPO
20
CPP
30
CPEG
CPC
30R
40
Características especiales
RS
Resistente a los Sulfatos
BRA
Baja Reactividad Álcali agregado
BCH
Bajo Calor de Hidratación
B
Blanco
7
CPS
40R
-
CEG
-
-
Para indicar que un tipo de cemento debe cumplir con una resistencia inicial especificada,
se le agrega la letra R después de la clase.
Solo se definen valores de resistencia inicial a 30R y 40R. [4]
1.2.4 ESPECIFICACIONES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Las especificaciones mecánicas y físicas del cemento como, resistencia a la compresión
según la norma mexicana NMX-C-061-ONNCCE, tiempo de fraguado de acuerdo a la
norma mexicana NMX-C-059-ONNCCE y estabilidad de volumen, según la norma
mexicana NMX-C-062-ONNCCE se describen en la tabla 1.3. [5]
Tabla 1.3 Especificaciones mecánicas y físicas del cemento.
Resistencia a la
compresión
Clase
resistente
20
30
30R
40
40R
3 días
Mínimo
20
30
(N/mm2)
28 días
Mínimo Máximo
20
40
30
50
30
50
40
40
-
Tiempo de
fraguado
(min)
Inicial
Final
Mínimo máximo
45
600
45
600
45
600
45
600
45
600
Estabilidad de volumen
en autoclave (%)
Expansión
Máximo
0.80
0.80
0.80
0.80
0.80
Contracción
Máximo
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
1.3. ÁRIDOS
Los áridos o también llamados agregados son componentes fundamentales del
concreto hidráulico, del concreto asfáltico y de las bases granulares. Los cuales
son
materiales pétreos naturales los cuales deben estar constituidos por
partículas duras, de forma y tamaño estables y los cuales deben estar limpios y
libres de terrones, partículas blandas o laminadas, arcillas, impurezas orgánicas,
8
sales y otras sustancias que por naturaleza o cantidad afecten la resistencia, la
permeabilidad, la rigidez, la densidad o la durabilidad de morteros y concretos en
estado sólido y fresco. Los áridos conforman entre un 70% y 80% del volumen del
concreto, razón por la cual es importante conocer sus propiedades y la influencia
de las mismas en las propiedades del concreto para optimizar no solo su uso y
explotación, sino también el diseño de mezclas de concreto.
Como áridos para la fabricación de concretos pueden emplearse arenas y gravas
existentes en yacimientos naturales, rocas machacadas o escorias siderúrgicas
apropiadas, así como otros productos cuyo empleo se encuentre sancionado por
la práctica o resulte aconsejable como consecuencia de estudios realizados en
laboratorio.
Por su tamaño los áridos pueden clasificarse en finos y gruesos determinado por
el tamaño de mayor predominio usando como referencia una malla como límite.
Se acepta como norma de calidad la especificación ASTM C-33.
Esta norma define los requisitos necesarios de graduación y calidad de los áridos
fino y grueso que serán utilizados para concretos estructurales, por lo que es
considerada adecuada para asegurar materiales satisfactorios en concretos
utilizados en obra civil. [6]
1.3.1. ÁRIDO FINO
Los áridos finos o arenas es el material que resulta de la desintegración natural de
las rocas, extraída de los ríos, los lagos, depósitos volcánicos o arenas artificiales,
esto es, que han sido manufacturadas. Este debe ser por lo general,
químicamente inerte, libre de cualquier recubrimiento y el cual está conformado
normalmente por partículas entre 4.75 y 0.075mm.
La granulometría del agregado fino va de aquel diámetro que pasa la malla No. 4 y
se retiene en la malla No. 100. Debe de estar libre de impurezas orgánicas que
puedan reducir seriamente la resistencia del concreto, deben de estar libres de
arcillas u otro material perjudicial más pequeño que pase la malla No. 100.
9
Para su uso se clasifican las arenas por su tamaño. Para lograr lo anterior, se les
hace pasar por unas mallas que van reteniendo los granos más gruesos y dejan
pasar los más finos.
Arena fina: es la que sus granos pasan por una malla de 1mm de diámetro y son
retenidos por otro de 0.25mm.
Arena media: es aquella cuyos granos pasan por una malla de 2.5mm de
diámetro y son retenidos por otro de 1mm.
Arena gruesa: es la que sus granos pasan por una malla de 5mm de diámetro y
son retenidos por otro de 2.5mm.
Un agregado fino con partículas de forma redondeada y textura suave se ha
demostrado que requiere menos agua de mezclado
1.3.1.1.- GRANULOMETRÍA DEL ÁRIDO FINO
La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un árido tal
como se determinan por el análisis granulométrico. El tamaño de partícula del
árido se determina por medio de mallas con abertura cuadrada. Las siete mallas
para agregado fino, tienen aberturas que varían desde la malla No. 4 hasta la No.
200. Las trece mallas para el agregado grueso tienen aberturas que varían desde
3/8” hasta 4”.
Existen varias razones por las que se pueden adecuar las especificaciones de los
límites granulométricos y el tamaño máximo de árido. Las cuales pueden variar de
acuerdo a las necesidades de cada usuario como puede ser, afectar las
proporciones relativas de los áridos, así como los requisitos de agua y cemento,
trabajabilidad, capacidad de bombeo, economía, porosidad, contracción y
durabilidad del concreto.
En general aquellos áridos que no tienen una gran de deficiencia o exceso de
cualquier tamaño y tienen una curva granulométrica dentro de los límites de la
10
Norma NMX-C-111 producirán los resultados más satisfactorios.
La composición granulométrica de la arena se acostumbra a analizar por su
separación en siete fracciones, cribándola a través de mallas normalizadas como
“serie estándar”, cuyas aberturas se duplican sucesivamente a partir de la más
reducida, (NOM-C-150/ASTM C-100).
Para asegurar una razonable continuidad en la granulometría del árido fino, las
especificaciones de agregados para concreto, requieren que en cada fracción
exista una proporción de partículas comprendidas dentro de ciertos límites,
establecidos empíricamente. Dichos límites, que definen el uso granulométrico se
muestran en la gráfica 3.1, (NOM-C-111/ASTM C-33).
El árido fino debe de estar dentro de los límites indicados en la tabla 3.3 y
gráfica 3.1 y cumplir con los siguientes requisitos:

Estar dentro de los limites indicados en la especificación(NOM-C.111/ASTMC-33.

Su módulo de finura no debe ser menor de 2.2% ni mayor de 3.2%
Se puede aumentar los porcentajes del retenido acumulado en las cribas #16,
#30, #50 y #100 respectivamente, siempre que el contenido del cemento sea
mayor de 250kg/m3 para concreto de aire incluido, o de mayor de 300kg/m3
para concreto sin aire incluido o bien supliendo la diferencia del material que
pasa estas cribas, mediante la adición de un material finamente molido y
aprobado.
Las arenas cuyo módulo de finura es inferior a 2.20, normalmente se
consideran demasiado fina e inconvenientes para esta aplicación, porque
suelen requerir mayores consumos de pasta de cemento, lo cual repercute
11
adversamente en los cambios volumétricos y en el costo del concreto. En el
extremo opuesto, las arenas con módulo de finura de mayor de 3.20 resultan
demasiado gruesas y también se les considera inadecuadas, porque tienen a
producir mezclas de concreto ásperas, segregables y propenso al sangrado.
Se sabe que la tolerancia máxima de variación de los valores del módulo de
finura para la aceptación del árido fino es de 0.20 con respecto al módulo de
finura empleado en el diseño de finura.
Especificaciones granulométricas del árido fino descritas en la NOM -C-111ONNCCE
Tabla 1.4. Límites granulométricos especificados para el árido fino, de acuerdo a la norma
(NOM-C -111-ONNCCE).
Abertura de la Malla
% Retenido acumulado
% Retenido acumulado
límite inferior
límite superior
No. 4
0
5
No. 8
0
20
No. 16
15
50
No. 30
40
75
No.50
70
90
No. 100
90
98
No. 200
100
100
12
Grafica 1.1 Curva de distribución granulométrica óptima del agregado fino, de acuerdo a
la norma NOM-C.111
Si se excede de la tolerancia indicada en caso aceptado, puede utilizarse
dicho
agregado
siempre
que
se
haga
un
ajuste
apropiado
en
el
proporcionamiento del concreto para compensar dichas diferencias en la
granulometría.
1.3.1.2. SUSTANCIAS NOCIVAS
La cantidad de sustancias nocivas en el agregado fino no excederá los límites
presentados en la tabla 1.6.
Tabla 1.6. Límites de porcentajes de sustancias nocivas.
Sustancia
Porcentaje máximo en peso del
total de la muestra
Arcilla y partículas disgregables
3.0
13
Material más fino que el tamiz 200
Concreto sujeto a abrasión
3.0A*
Cualquier otro concreto
5.0A
Carbón y lignito:
Cuando la apariencia del concreto es
de importancia
0.5
Cualquier otro concreto
0.1
*A En el caso de la arena artificial, si el material más fino que el de la malla
200 consiste en polvo de fractura, esencialmente libre de arcilla o esquisto,
estos límites pueden incrementarse en 5 y 7% respectivamente.
1.3.1.3. IMPUREZAS ORGÁNICAS
La materia orgánica que se presenta en los agregados, especialmente en los finos
consiste en tejidos animales y vegetales que están principalmente formados por
carbono, nitrógeno y agua. Este tipo de materia al encontrarse en grandes
cantidades afectan en forma nociva las propiedades del concreto, como la
resistencia, durabilidad y buen desarrollo del proceso de fraguado. Por esto es
muy importante controlar el posible contenido de materia orgánica de una arena ya
que ésta es perjudicial para el concreto. (ASTM-C-40)
El contenido de impurezas orgánicas se determina por medio de la prueba
colorimétrica. A excepción de los límites presentados en la tabla III, los agregados
sujetos a la prueba de impurezas orgánicas y que produzcan un color más oscuro
que el habitual deberán ser rechazados, a no ser que cumplan alguna de las
condiciones siguientes:
14
•
Puede usarse un agregado fino que no haya cumplido con el ensayo, si se
comprueba que la decoloración se produjo debido a la presencia de
pequeñas cantidades de carbón, lignito o partículas similares.
•
Puede usarse un agregado fino que no haya cumplido con el ensayo, si
cuando se ensaye, posee propiedades adecuadas para la fabricación de
morteros y estos presenten una resistencia a la compresión no menor del
95 % a los 7 días, calculada según la norma ASTM C - 87.
1.3.1.4. MÓDULO DE FINURA
El módulo de finura denota la finura relativa de la arena, se define como una
centésima de la suma de los porcientos retenidos acumulados hasta la malla #100
en la prueba de tamices de la arena. Es decir, es el índice aproximado que nos
describe en forma rápida y breve la proporción de finos o de gruesos que se tiene
en las partículas que lo constituyen.
El módulo de finura de la arena se calcula sumando los porcentajes acumulados
en las mallas siguientes: Numero 4, 8, 16, 30, 50 y 100 inclusive y dividiendo el
total entre cien. Mientras más pequeño sea el número del módulo de finura, más
fina será la arena. Una arena que satisfaga las especificaciones del ASTM para
concreto debe tener valores entre 2.3 y 3.1, ni que varié en más de 0.2 del valor
típico de la fuente de abastecimiento del agregado, con el requisito adicional de
que ningún grupo de partículas represente más del 45% del total.
El módulo de finura es un dato que se requiere y se utiliza con frecuencia para el
diseño de las mezclas de concreto, por considerarlo un índice suficientemente
aproximado de su granulometría. (Módulo de finura ASTM C-136)
15
Tabla 1.7 Clasificación de la arena por módulo de finura
Tipo de arena
Módulo de finura
Gruesa
2.9 – 3.2 gramos
Media
2.2 – 2.9 gramos
Fina
1.5 – 2.2 gramos
Muy fina
1.5 gramos
1.3.2. ÁRIDO GRUESO
El árido grueso consiste básicamente en grava, grava triturada, roca triturada,
escoria de hornos de explosión, concreto de cemento hidráulico triturado o una
combinación de lo anterior, de acuerdo con los requerimientos que estable esta
norma (C-33).
Para analizar la composición granulométrica de la grava en conjunto, comúnmente
se criba por las mallas cuyas aberturas se seleccionan de acuerdo con el intervalo
dimensional dado por su tamaño máximo, buscando dividir este intervalo en
suficientes fracciones que permitan juzgar su distribución de tamaños a fin de
compararla con los limites granulométricos que le sean aplicables.
Por otra parte, para la utilización de la grava en la elaboración del concreto, se
acostumbra
a
subdividirla
en
fracciones
que
se
manejan
y
dosifican
individualmente en proporciones adecuadas para integrar la curva granulométrica
requerida en la grava total.
La grava se analiza mediante la verificación granulométrica de fracciones
individuales de grava, previamente cribadas a escala de obra, a fin de comprobar
principalmente si el proceso de separación por cribado se realiza con la precisión
especificada dentro de sus correspondientes intervalos nominales.
16
Las designaciones y aberturas de las mallas que suelen emplearse en análisis
granulométrico de la grava, se indican a continuación.
1.3.2.2. GRANULOMETRIA DEL ÁRIDO GRUESO
Los agregados gruesos deben llenar los requerimientos especificados en las
normas (NOM-C-111/ASTM-C-33) para cada número de malla, según el tamaño
de agregado a utilizar. El tamaño del agregado se encuentra en función de las
necesidades específicas para el diseño del concreto.
Para tener mayor economía y durabilidad, el agregado debe estar bien graduado,
ya que de esta manera se tendrá un concreto más denso, fuerte e impermeable,
con contenido menor de cemento. A mayor tamaño de la partícula de agregado
será menor el área de superficie que se va a humedecer por unidad de masa
(superficie específica). Así, al extender la gradación del agregado hasta su tamaño
máximo, se disminuirá el requerimiento de agua en la mezcla; y para una
trabajabilidad específica y riqueza de la mezcla, la relación agua/cemento puede
reducirse; con el consiguiente incremento de la resistencia. Sin embargo, por
encima del cual la disminución en la demanda del agua es contrarrestada por los
efectos nocivos de una menor área de adherencia y la discontinuidad que
introducen las partículas muy grandes.
En México, el tamaño máximo del agregado grueso que se usa para la
construcción de las carreteras de concreto hidráulico es de 1½”. Es común que el
tamaño máximo de la grava se limite en función de los espacios mínimos por
donde deba desplazarse el concreto durante su colocación y compactación en la
estructura.
El código ACT 318 establece que el tamaño máximo nominal de la grava no debe
exceder a la tercera parte del espesor de las losas en los pavimentos. Además, el
comité ACI 211 en su informe 221.1 (ACI 1999) indica que es recomendable
emplear el tamaño máximo de la grava más grande que sea compatible con estas
17
limitaciones, porque con grava de mayor tamaño se requiere menor proporción de
mortero en la mezcla de concreto, es decir, menos arena y pasta de cemento,
criterio que sin embargo conviene acoger con cautela.
Siempre se pretende que en las mezclas de concreto convencional de
consistencia plástica, la curva granulométrica de la grava sea razonablemente
continua; es decir, que aunque dicha curva exhiba inflexiones, no se manifieste
ausencia total de partículas en ningún intervalo.
Esto se justifica porque para obtener mezclas de concreto que sean trabajables y
al mismo tiempo no se segreguen con facilidad, es necesario que exista
continuidad en los diferentes tamaños de las partículas de grava en todo su
intervalo dimensional.
Respecto a la superficie de las partículas, conviene que sean lo más rugosas
posibles, es decir, que tenga un alto valor de fricción, porque así se alcanza una
buena adherencia con la pasta agua/cemento. El agregado grueso debe estar
relativamente libre de partículas con formas planas y elongadas. Estas partículas
se deben evitar o al menos limitar a aproximadamente un 15% del peso total del
agregado. La presencia de estas partículas puede dar lugar a una mezcla poco
trabajable, de mezclar y de colocar. Esto se debe a que por su forma son
partículas débiles, con mucha tendencia a fracturarse.
En general, el árido grueso debe estar dentro de los límites indicados en la grafica
2.1 y la tabla 3.4 y cumplir con los siguientes requisitos:

Estar dentro de los límites indicados (NOM-C-111-ONNCCE y ASTM-C-33)

El retenido parcial en cualquier criba no debe ser mayor de 65%.
Las especificaciones granulométricas del árido grueso descritas en la NMX-C-111
se muestran en la tabla siguiente.
18
Tabla 1.8 Rangos óptimos de las diferentes gradaciones que conforman el árido grueso, de
acuerdo a la norma NMX-CC-111 “Especificaciones de los agregados”.
ABERTURA DE LA MALLA
% RETENIDO ACUMULADO
% RETENIDO ACUMULADO
LIMITE INFERIOR
LIMITE SUPERIOR
1”
95
100
¾”
60
80
½”
25
60
3/8”
10
35
No. 4
0
10
Cuando se tenga un agregado grueso fuera de los límites indicados en la gráfica
1.2 y tabla 1.8, debe ajustarse al proporcionamiento del concreto para compensar
las deficiencias granulométricas.
Gráfica 1.2: Curva de distribución granulométrica optima del árido grueso de acuerdo a la
norma NMX-C-111”Agregado especificaciones”
19
1.3.3. CONTENIDO DE HUMEDAD Y ABSORCIÓN, PESO
ESPECÍFICO Y PESO UNITARIO.
ABSORCIÓN Y CONTENIDO DE HUMEDAD
La humedad de los agregados está compuesta por humedad de saturación y
humedad superficial o libre. Para corregir el peso del material en las mezclas, se
obtiene el porcentaje de humedad contenida, además del porcentaje de absorción
del agregado.
Un cambio del 1% en el contenido de humedad, cambia el asentamiento del
concreto en 1.5 pulgadas y la resistencia en 300 lb/in2. La estructura interna de
una partícula de agregados está constituida de materia sólida y de vacíos que
puedan o no contener agua. Los agregados se encuentran en cualquiera de los
siguientes estados:
a. Seco al horno, completamente seco y absorbente.
b. Seco al aire. Materiales secos en la superficie de humedad interior, siendo
por lo cual algo absorbente.
c. Saturado y de superficie seca, condición ideal que debe tener el
agregado para que no adicione o absorba agua del concreto.
d. Húmedo o mojado, contiene exceso de humedad en la superficie de las
partículas.
Figura 1.1 Condiciones de humedad en los agregados.
20
a
b
c
D
Secado al horno
Secado al aire
Saturado y de
Húmedo o mojado
superficie seca
Es imposible que los agregados vengan en condición ideal pero puede llegarse a ella
por una simple operación aritmética: humedad superficial = humedad total - factor de
absorción. Para los agregados gruesos la absorción se puede determinar de acuerdo
con la norma ASTM C -127 y para los agregados finos conforme a la norma ASTM C
–128.
La cantidad de agua utilizada en la mezcla de concreto se debe de ajustar a las
condiciones de humedad de los agregados de manera que cubra los
requerimientos agua, para obtener la relación efectiva de agua/cemento. Sí el
contenido del agua de la mezcla de concreto no se mantiene constante, la
trabajabilidad, la resistencia a la compresión y otras propiedades varían de una
mezcla.
PESO ESPECÍFICO
Se entiende como peso específico de un árido a la relación de su peso respecto al
peso de un volumen absoluto igual de agua (agua desplazada por inmersión). Es
usado en ciertos cálculos para el proporcionamiento de mezclas y control, por
ejemplo en la determinación del volumen absoluto ocupado por el agregado.
Generalmente no se emplea como índice de calidad del agregado, aunque ciertos
agregados porosos que exhiben deterioro acelerado a la congelación-deshielo
tengan pesos específicos bajos. La mayoría de los agregados naturales tienen
densidades relativas entre 2.4 y 2.9.
Los métodos de prueba para determinar los pesos específicos para los áridos
gruesos y finos se describen en las Normas (NOM-C.164 Y C-165),
respectivamente. El peso específico de un agregado se puede determinar
considerando que ha sido secado al horno totalmente o que se encuentra saturado
21
y superficialmente seco (SSS). Ambos pesos específicos se pueden utilizar en los
cálculos para el proporcionamiento de mezclas de concreto. Los agregados
secados en el horno no contienen ninguna cantidad de agua libre o absorbida. Se
le seca en un horno hasta obtener un peso constante (100 0 +/-50). Los áridos
(SSS) son en los cuales los poros en el interior de cada partícula de agregado han
quedado llenos con agua y no contienen agua en exceso en la superficie de la
partícula.
La gravedad especifica cómo se define en la norma ASTM E-12 corresponde al
peso específico relativo y para agregados finos se determina por métodos
descritos en la norma ASTM C-128 y para agregado grueso ASTM C-127; que
consiste en medir el desplazamiento del agua, producido por un peso conocido de
agregado en condición saturada y de superficie seca; se usa para este objeto una
probeta calibrada. El ensayo para el peso específico debe realizarse con 200
gramos de material en condición seco-saturado- La capacidad de la probeta debe
ser de 500 mililitros. Se debe realizar tres pruebas con diferentes probetas, para
obtener un promedio significativo.
PESO UNITARIO
El peso volumétrico, también llamado peso unitario o densidad en masa de un
agregado, es el peso del agregado que se requiere para llenar un recipiente con
un volumen unitario específico. El volumen al que se hace referencia, es ocupado
por los agregados y los vacíos entre las partículas de agregado. El contenido de
vacíos entre partículas afecta la demanda de pasta (cemento y arena) en el diseño
de la mezcla. Los contenidos de vacíos varían desde aproximadamente 30% a
45% para los agregados gruesos hasta 40% a 50% para el agregado fino. La
angularidad aumenta el contenido de vacíos; mayores tamaños de agregados bien
graduado y una granulometría mejorada hacen disminuir el contenido de vacíos.
Los métodos de prueba para determinar el peso volumétrico de los agregados y el
contenido de vacíos se detallan en la NMX-C-73.
22
El peso unitario de un material es el peso de éste con respecto a su volumen. Este
término es el usado en las especificaciones de la ASTM. Se aplica a condiciones
de trabajo, tomando como volumen unitario el pie cúbico. Al determinar el peso
unitario se observa que éste está influenciado por el grado de asentamiento
(vacíos) y por el contenido de humedad, por lo que se calcula con el material seco
con distintos grados de humedad, asentado o suelto según indicación de la norma
ASTM C-29. [6]
1.4. BANCOS DE MATERIALES
La extracción de materiales pétreos para la construcción es importante en
cualquier lugar del mundo, ya que de esta actividad depende el buen desarrollo de
las obras de infraestructura que impulsan el crecimiento de un país.
Las canteras son la fuente principal de materiales pétreos los cuales se
constituyen en uno de los insumos fundamentales en el sector de la construcción
de obras civiles, estructuras, vías, presas y embalses, entre otros. Por ser materia
prima en la ejecución de estas obras, su valor económico representa un factor
significativo en el costo total de cualquier proyecto.
Existen dos tipos fundamentales de canteras, las de formación de aluvión,
llamadas también canteras fluviales, en las cuales los ríos como agentes naturales
de erosión, transportan durante grandes recorridos las rocas aprovechando su
energía cinética para depositarlas en zonas de menor potencialidad formando
grandes depósitos de estos materiales entre los cuales se encuentran desde
cantos rodados y gravas hasta arena, limos y arcillas; la dinámica propia de las
corrientes de agua permite que aparentemente estas canteras tengan ciclos de
autoabastecimiento, lo cual implica una explotación económica, pero de gran
afectación a los cuerpos de agua y a su dinámica natural. Dentro del entorno
ambiental una cantera de aluvión tiene mayor aceptación en terrazas alejadas del
área de influencia del cauce que directamente sobre él.
23
Otro tipo de canteras son las denominadas de roca, más conocidas como canteras
de peña, las cuales tienen su origen en la formación geológica de una zona
determinada, donde pueden ser sedimentarias, ígneas o metamórficas; estas
canteras por su condición estática, no presentan esa característica de
autoabastecimiento lo cual las hace fuentes limitadas de materiales.
Estos dos tipos de canteras se diferencian básicamente en dos factores, los tipos
de materiales que se explotan y los métodos de extracción empleados para
obtenerlos.
En las canteras de río, los materiales granulares que se encuentran son muy
competentes en obras civiles, debido a que el continuo paso y transporte del agua
desgasta los materiales quedando al final aquellos que tiene mayor dureza y
además con características geométricas típicas como sus aristas redondeadas.
Estos materiales son extraídos con palas mecánicas y cargadores de las riberas y
cauces de los ríos.
Las canteras de peña, están ubicadas en formaciones rocosas, montañas, con
materiales de menor dureza, generalmente, que los materiales de ríos debido a
que no sufren ningún proceso de clasificación; sus características físicas
dependen de la historia geológica de la región, permitiendo producir agregados
susceptibles para su utilización industrial; estas canteras se explotan haciendo
cortes o excavaciones en los depósitos. [7]
1.4.1. UBICACIÓN DE LOS BANCOS
Los datos geológicos y medioambientales son la base de la realización de
estudios previos e inventarios de áridos. Estos inventarios consisten básicamente
en definir las explotaciones potenciales en las proximidades de las zonas de
demanda:
grandes
ciudades,
grandes
estructuras
lineales
(ferrocarriles,
carreteras, etc.). Se tendrán en cuenta los espacios protegidos por razones
ecológicas, vías de comunicación, suelo urbanizable. Agrícola. Impacto visual,
24
entre otros. Todo ello debe hacerse tomando en consideración la demanda de
áridos previsible en cantidad y calidad, así como las características geológicas,
geotécnicas de los áridos de las zonas seleccionadas. Un buen inventario
contemplará la posición del nivel freático respecto de la futura explotación, así
como los planes de restauración de las explotaciones para su integración después
del abandono.
Los trabajos de aproximación previa a un yacimiento de áridos naturales deben
permitir definir:
Parámetros geométricos
Parámetros hidrogeológicos
Parámetros de material extraíble
Parámetros ambientales
1.4.1.1. PARÁMETROS GEOMETRICOS
Los yacimientos explotables para la fabricación de áridos están condicionados por
un modelo geológico y estructural, por los estudios de selección de zonas deben
comenzar siempre por el estudio y desarrollo de un mapa geológico. Una vez
establecido un mínimo de calidad, homogeneidad y continuidad en la formación
geológica susceptible de ser canterable, se procederá a un estudio fotogeológico
que permita definir con mayor detalle los puntos o zonas de afloramiento, el
buzamiento o inclinación de cuerpo rocoso, los límites por accidentes estructurales
o sus límites en relación con otros cambios laterales de facies.
El modelo geológico del yacimiento, que incluya con precisión suficiente toda la
información sobre la forma y dimensiones en el espacio del cuerpo rocoso, es el
elemento clave a la hora de establecer el método de la explotación. En zonas
áridas y escasa cobertura vegetal, muchas veces puede ser suficiente con un
reconocimiento geológico detallado para llegar a establecer las características del
modelo con muy pocos reconocimientos complementarios establecer el volumen
explotable, la densidad de fracturación o diaclasado natural del material, familias
25
de orientaciones preferentes de debilidad del macizo rocoso, comportamiento
mecánico de las discontinuidades y fracturas.
1.4.1.2. PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS
Tienen como finalidad establecer la posición del nivel freático de la futura
explotación que se configura como uno de los condicionantes de la explotación, ya
que mantener un bombeo permanente de la cantera puede significar un aumento
de los costos de operación.
1.4.1.3. PARÁMETROS DEL MATERIAL EXTRAÍBLE
Constituyen el aspecto más determinante sobre el mayor o menor interés que
puede tener un yacimiento de cara a su explotabilidad para la fabricación de
áridos, como el concreto o las mezcla bituminosa, cuantificar las propiedades de
los áridos para atender la correcta dosificación en cada caso y anticipar su futuro
de comportamiento.
Las características de los áridos dependen tanto de las propiedades intrínsecas
del propio árido, como de su proceso de fabricación.
1.4.1.4. PARÁMETROS AMBIENTALES
La puesta en marcha y desarrollo de un proyecto de explotación exige dar
respuesta a un capitulo cada vez más grande y complejo de aspectos
medioambientales, que es necesario conocer y cuantificar a partir del cada vez
más absolutamente necesario Estudio Medioambiental de Base. Este tipo de
iniciativas no solamente se constituyen en una herramienta básica de una gestión
medioambiental correcta, sino que son considerados modernamente como
herramientas de competitividad.
26
1.4.2. EXPLOTACIÓN DE BANCOS
El diseño preliminar de una explotación de cantera y su planificación operativa a
corto, medio y largo plazo debe cuantificar el volumen de recubrimiento en forma
de tierras y suelos o en su caso, de formaciones litológicas no interesantes, que es
necesario remover anualmente en operaciones de específicas de desmonte.
La importancia del correcto desarrollo de las operaciones de desmonte no está
solo en conseguir un costo bajo, sino en también en permitir que los frentes sean
lo más estables posible dándoles un talud apropiado en función de sus
características geomecánicas, que muy frecuentemente son mucho peores que el
macizo rocoso explotado por la cantera, y protegiéndolos de la acción erosiva de
la aguas mediante la construcción de cunetas de guarda para las de escorrentía y
de drenajes para la infiltraciones.
El diseño de la explotación debe prever que, entre el pie del desmonte y la cabeza
del frente de explotación, debe guardarse una berma de seguridad que impida que
los posibles desprendimientos del recubrimiento caigan sobre la explotación y se
permita, si fuera necesario, la reanudación de los trabajos de desmonte en
condiciones suficientes de seguridad al disponerse del espacio necesario para el
acceso y maniobra de la maquinaria.
El procedimiento para realizar la explotación queda definido por la aplicación de
unos criterios de diseño de excavación, que permiten alcanzar las producciones
programadas, de la forma más económica posible y en las máximas condiciones
de seguridad.
Los parámetros geométricos principales que conforman el diseño de las
excavaciones son principalmente, las que se mencionan a continuación:
Banco
27
Es el módulo o escalón comprendido entre los niveles que constituyen la rebanada
que se explota del mineral y que es objeto de excavación desde un punto del
espacio hasta una posición final preestablecida.
Altura de banco
Es la distancia vertical entre dos niveles o, lo que es lo mismo , desde el pié de
banco hasta la parte más alta o cabeza del mismo.
Talud de banco
Es el ángulo delimitado entre la horizontal y la línea de máxima pendiente de la
cara del banco.
Talud de trabajo
Es el ángulo determinado por los pies de los bancos entre los cuales se encuentra
alguno de los tajos o plataformas de trabajo. Es en consecuencia, una pendiente
provisional de la excavación.
Límites finales de la explotación
Son aquellas situaciones espaciales hasta que se realizan las excavaciones. El
límite vertical determina el fondo final de la explotación y los limites laterales los
taludes finales de la misma.
Talud final de explotación
Es el ángulo del talud estable delimitado por la horizontal y la línea que une el pie
del banco inferior y la cabeza del superior.
Bermas
Son aquellas plataformas horizontales existentes en los límites de la excavación
sobre los taludes finales, que coadyuvan a mejorar la estabilidad de un talud y las
condiciones de seguridad frente a deslizamientos o caídas de piedras.
Pistas
Son las estructuras varias dentro de una explotación a través de las cuales se
extraen los materiales, o se efectúan los movimientos de equipos y servicios entre
diferentes puntos de la misma. Se caracterizan principalmente por su anchura, su
pendiente y su perfil.
Ángulo de reposo del material
28
Es el talud máximo para el que es estable sin deslizar el material suelto que lo
constituye y en condiciones de drenaje total, después de vertirlo.[8]
1.4.2.1. MÉTODO Y SISTEMA DE EXPLOTACIÓN
CANTERAS EN TERRENOS HORIZONTALES
Las labores se inician en trinchera, hasta alcanzar la profundidad del primer nivel,
ensanchándose a continuación el hueco creado y compaginando este avance
lateral con la profundización.
Como ventajas de este tipo de explotaciones figuran:

Posibilidad de trasladar las instalaciones de cantera al interior del hueco
una vez alcanzadas las suficientes dimensiones, consiguiéndose un menor
impacto y una menor ocupación de terrenos.

Una mayor aceptación del por parte del entorno socio-económico, como
consecuencia de un mejor control medioambiental del proyecto y un mucho
menor impacto visual.

Posibilidad de proyectar la pista general de transporte en una posición no
inamovible en mucho tiempo.

Permiten la instalación de un sistema de cintas transportadoras.
Como desventajas se presentan:

La necesidad de efectuar el transporte ascendente de materiales y por
tanto, contra pendiente.

Mayor costo de dimensionamiento de sistemas de drenaje y bombeo.
CANTERA EN LADERA
Según la dirección en la que se dirigen los trabajos de excavación, pueden
distinguirse las siguientes alternativas:
29
Avance frontal y frente de trabajo de altura creciente
-
Es la alternativa más frecuente por la facilidad de apertura de las canteras y
a la mínima distancia de transporte inicial hasta la planta de tratamiento.
-
El frente de trabajo está siempre activo, salvo en alguna pequeña zona.
-
El frente es progresivamente más alto, por lo que es inviable proceder a la
restauración de los taludes hasta que no finalice la explotación.
Excavación descendente y abandono del talud final en bancos altos
Permite iniciar la restauración con antelación y desde los bancos superiores hasta
la menor cota.
Requieren una definición previa de talud final y consecuentemente, un proyecto a
largo plazo.
Exigen constituir toda la infraestructura varia para acceder a los niveles superiores
desde el principio y obliga a una mayor distancia de transporte en los primeros
años de la cantera.
Avance lateral y abandono del talud final.
Se puede llevar a cabo cuando la cantera tiene un desarrollo transversal reducido,
profundizándose poco en ladera, pero con un avance lateral amplio.
Permite recuperar taludes finales una vez excavado el hueco inicial, así como
efectuar rellenos parciales.
Permite mantener de forma constante la distancia de transporte siempre que la
instalación se encuentre en el centro de la corrida de la cantera.
1.4.3. EFECTOS AMBIENTALES
El suelo es considerado como uno de los recursos naturales más importantes, de
ahí la necesidad de mantener su productividad, para que a través de él y las
30
prácticas agrícolas adecuadas se establezca un equilibrio entre la producción de
alimentos y el acelerado incremento del índice demográfico.
El suelo es esencial para la vida, como lo es el aire y el agua, y cuando es
utilizado de manera prudente puede ser considerado como un recurso renovable.
Es un elemento de enlace entre los factores bióticos y abióticos y se le considera
un hábitat para el desarrollo de las plantas.
Gracias al soporte que constituye el suelo es posible la producción de los recursos
naturales, por lo cual es necesario comprender las características físicas y
químicas para propiciar la productividad y el equilibrio ambiental (sustentabilidad).
Derivando de las obras y actividades que implica la explotación de un banco de
materiales prevé la generación de impactos ambientales considerados poco
significativos en lo general, como son: la generación de emisiones a la atmosfera
por la maquinaria y vehículos, la generación de partículas suspendidas, ruido y
residuos sólidos y peligrosos. Los impactos ambientales más importantes y
evidentes están relacionados con la modificación de los sitios en cuanto a la
vegetación, uso del suelo y el paisaje.
El cambio en el uso del suelo al desmontar el predio del banco de materiales
conlleva la modificación de las características física y químicas superficiales del
suelo lo cual se espera que sea temporal, ya que se propone realizar los
programas de conservación de suelo, de reforestación con especies nativas y de
restitución del sitio cuyas actividades estarán encaminadas a restablecer el suelo
superficial orgánico y la zona arbolada, por lo que, este impacto se atenuara
finalmente. En el caso del paisaje se tendrá otro de los impactos ambientales más
evidentes que no obstante que en cuanto a la topografía es irreversible en el caso
de las vistas panorámicas se puede considerar mitigable ya que los sitios no
representan paisajes escénicos relevantes o únicos, ya que se trata de una zona
que presenta algunas alteraciones por la cercanía con asentamientos humanos.
31
En la siguiente tabla se muestra de manera general la forma en que es afectado el
medio natural a causa de la explotación de un banco de material. [9]
Tabla 1.9.-Eefectos ambientales de la explotación de un banco de materiales
MEDIO
EFECTO
NATURAL
Aire
calidad, gases, polvos, contaminación sonora
Suelo
destrucción de suelos, erosión, calidad, permeabilidad
calidad, contaminación de acuíferos, inundaciones, cambio en los
Agua
flujos de los caudales, interrupción de flujos de aguas subterráneas
diversidad, especies endémicas, especies amenazadas o en
Flora
peligro, estabilidad
destrucción directa, destrucción del hábitat, diversidad, especies
Fauna
endémicas o en peligro de extinción, estabilidad del ecosistema,
cadenas tróficas, movimientos locales
Medio
elementos paisajísticos, vistas panorámicas, naturalidad, cambios
perceptual
en las formas del relieve
1.5. MATERIAL DE RESIDUOS AGRÍCOLAS
Una de las preocupaciones contemporáneas es que usos dar y qué hacer con la
creciente
cantidad
de
residuos
que
generan
los
procesos
industriales,
agroindustriales, domésticos y de consumo, la afectación se siente especialmente
en centros urbanos, los cuales hoy por hoy se ven agobiados por los impactos que
se observan como consecuencia de estos desechos. En este orden de ideas
dentro de los retos actuales y futuros, se vislumbra el cómo dar respuesta
apropiada y ambientalmente sostenible a la reducción, disposición, reutilización y
manejo adecuado de residuos.
32
Las cenizas obtenidas de residuos agrícolas (cascarilla de arroz, paja de la caña
de azúcar, Ceniza de hoja de maíz, fibras de agave lechuguilla, ceniza de cascara
de cacahuate, y bagazo de la caña), son la materia prima para la producción de
puzolanas, ya que estos y otros productos generan residuos que pueden ser
aprovechados por sus propiedades químicas además de usarse como fuente
energética, y aunque su uso, en la actualidad resulta bastante limitado están
siendo estudiadas con el objeto de producir puzolanas consiguiéndose resultados
satisfactorios hasta el momento en los trabajos de investigación realizados.
Si bien en esta investigación el residuo agrícola, denominado CBCA (ceniza de
bagazo de caña de azúcar), no se utilizo como puzolana sino como árido fino, si
fue una parte fundamental para que se llevara a cabo esta investigación. [10]
1.5.1. UBICACIÓN DEL INGENIO LA CONCEPCIÓN VER.
El Ingenio La Concepción se encuentra situado en la zona centro-montañosa del
estado de Veracruz, en las estribaciones de la Sierra de Chiconquiaco. Con una
superficie de aproximadamente 8 210 ha, distribuidas en los Municipios de
Tepetlán, Jilotepec, Xalapa, Alto Lucero de Gutiérrez, pero principalmente en el
Municipio de Naolinco.
33
Figura 1.2.-Localización geográfica del Ingenio La Concepción
El Municipio de Naolinco colinda al norte con Miahuatlán, al noreste con Acatlán,
al este con Tepetlán, al sureste con Alto Lucero, al sur con Actopan, Xalapa y
Jilotepec, al oeste con Coatzintla, al noroeste con Tonayán. Entre las principales
localidades que comprenden el ingenio se encuentran Alto Tio Diego, Las Haldas,
Vicente Guerrero (Tepetates), Almolonga, Tenampa y San Miguel Aguazuelos. La
principal vía de comunicación es la carretera Xalapa-Veracruz. [12]
34
1.5.2. PRODUCCIÓN DE LA CAÑA DE AZÚCAR
La caña de azúcar es originaria de Nueva Guinea, de donde se distribuyó a toda
Asia. Los árabes la trasladaron a Siria, Palestina, Arabia y Egipto, de donde se
extendió por África. Colón la llevó a las islas del Caribe y de ahí pasó a América
tropical. A México llegó con la conquista instalándose las primeras industrias
azucareras en las partes cálidas del país como parte de la colonización.
La caña de azúcar es una gramínea tropical, un pasto gigante emparentado con el
sorgo y el maíz en cuyo tallo se forma y acumula un jugo rico en sacarosa,
compuesto que al ser extraído y cristalizado en el ingenio forma el azúcar. La
sacarosa es sintetizada por la caña gracias a la energía tomada del sol durante la
fotosíntesis.
El proceso de producción inicia con la preparación del terreno(arando la tierra),
etapa previa de la siembra de la caña, una vez que la planta madura entre los 12 y
15 meses, las personas encargadas de la tarea de la cosecha se dispone a
cortarla y recogerla a través de alce mecánico, para llevarla a los ingenios
azucareros, una vez en estos sitios se hacen muestreos para determinar las
características de calidad y el contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas,
luego se pesa en básculas y se conduce a los patios donde temporalmente se
almacena, de ahí pasa a las mesas de lavado de caña para dirigirla a una banda
transportadora que las conduce para su picado, dándoles un tamaño uniforme
para facilitar así la extracción del jugo en los molinos. Una vez que la caña ha sido
preparada por las picadoras llega a un tándem de molinos, constituido cada uno
de ellos por tres o cuatro mazas metálicas y mediante presión extrae el jugo de la
caña. En el recorrido de la caña por el molino se agrega agua, generalmente
caliente para extraer al máximo la sacarosa que contiene el material fibroso. Este
proceso de extracción es llamado maceración. El bagazo que sale de la última
unidad de molienda se conduce a una bagacera para que seque y luego se va a
las calderas como combustible, produciendo el vapor de alta presión que se
emplea en las turbinas de los molinos.
35
El desarrollo de la caña de azúcar depende en gran medida de la luz solar, razón
por la cual su cultivo se realiza en las zonas tropicales que poseen un brillo solar
alto y prolongado.
La clorofila existente en las células de las hojas de la caña absorbe la energía de
la luz solar, la cual sirve como combustible en la reacción entre el dióxido de
carbono que las hojas toman del aire y el agua que junto con varios minerales las
raíces sacan de la tierra, para formar sacarosa que se almacena en el tallo y
constituye la reserva alimenticia de la planta, a partir de la cual fabrican otros
azúcares, almidones y fibra.
La caña de azúcar se encuentra dentro del grupo más eficiente de convertidores
de la energía solar que existen.
El azúcar es uno de los productos básicos de consumo, su producción se realiza
en los ingenios a partir de los jugos de caña de azúcar y de remolacha, dando
origen a una agroindustria que genera gran cantidad de empleos, participando
directamente en la economía nacional.
La caña de azúcar suministra el 70 por ciento de la demanda internacional de
azúcar, y el resto se obtiene de la remolacha. El azúcar se obtiene del jugo fresco
y dulce de la caña, sus hojas y tallos se utilizan como forraje para el ganado.
Hay diferentes tipos de azúcar, desde el piloncillo o panela hasta el azúcar
refinada, los cuales se usan como alimento básico del hombre o como materia
prima para la industria. Ésta lo transforma en alcohol etílico, ácido láctico, dextrosa
y glicerina.
Otros productos como la melaza se emplean para la fabricación de bebidas
alcohólicas como el ron. Las fibras de bagazo que resultan de la molienda se
utilizan para la fabricación de papel y madera prensada. [13]
36
1.5.3. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA (CBCA)
La caña de azúcar ha sido sin lugar a dudas uno de los productos de mayor
importancia para el desarrollo comercial del continente americano y europea. El
azúcar se consume en todo el mundo, puesto que es una de las principales
fuentes de calorías en las dietas de todos los países. Lo cual provoca que el
desperdicio se genere de manera importante (bagazo de caña).
La composición de la ceniza varía según la edad de la caña y edad, tipo de suelo y
cantidad de fertilizantes. La cantidad de ceniza en el bagazo depende de la
influencia de los suelos que como material extraño se haya recogido durante la
cosecha y del clima, sobre el rendimiento de la caña ya que ambos factores
tienen un efecto significativo sobre la producción (Sánchez Aymaral). El contenido
de ceniza de bagazo se considera moderado, en condiciones de poca lluvia son
entre el 2% y el 4% del bagazo total. Un contenido superior al cinco por ciento en
época de lluvia puede elevarse de manera considerable llegando a reportar
valores extremos del 12 al 15%.
En un estudio realizado por Betancourt, en las provincias centrales de Villa Clara,
Cienfuegos, Sancti Espíritus, y Ciego de Ávila en Cuba, se puede considerar
según la composición química media la ceniza de bagazo de caña de azúcar
presenta un mayor contenido de óxidos fundamentales (SiO2, Al2O3, Fe2O3). [14]
El estudio de Llorens Cruz, señala una composición química de ceniza para el
bagazo cubano que se aprecia en la Tabla 1.10
37
Tabla 1.10 Composición química de la ceniza del bagazo cubano
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE CENIZA DE BAGAZO CUBANO
Compuesto constitutivo
Porcentaje
Nombre
Forma abreviada
Sílice
SiO2
56.40%
Oxido férrico + Alúmina
F2O3 + Al2O3
5.15%
Oxido de calcio + Oxido de Magnesio
CaO + MgO
9.08%
Álcalis
Na2O y K2O
12.6%
En la misma línea el trabajo presentado por R. C. Carpio y E. S. Lora en la Tabla
1.11. Indica la composición química de la ceniza de paja de caña de azúcar y para
fines de comparación, también muestran valores correspondientes para la ceniza
de bagazo cubano y peruano.
Tabla 1.11 Composición química de la ceniza de bagazo cubano y bagazo peruano
Composición Química de Ceniza de Bagazo Cubano Bagazo Peruano
Ceniza
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2
K2O
Na2O
P2O5
SO3
Paja de caña
64.71
4.21
13.77
6.22
1.37
6.87
1
0.27
0.01
Bagazo
67.52
3.5
7.6
3.5
8.95
3.75
2.17
1.7
0.03
La Tabla 1.12 muestra las composiciones químicas en estudios recientes
elaborados por Martirena et al, Ganesan y Oliveira de Paula donde se aprecia que
los óxidos fundamentales SiO2, Al2O3 y Fe2O3 son los que predominan en las
cenizas de bagazo de caña de azúcar.
Tabla 1.12 Composición química de cenizas de bagazo de caña de azúcar realizada por
varios investigadores [15].
38
Composición Química de Cenizas de Bagazo de Caña de Azúcar (varios
investigadores)
Investigadores
Compuesto
Martirena
Ganesan
Oliveira
SiO2
72.74
64.15
83.77
Al2O3
5.26
9.05
-
Fe2O3
3.92
5.52
6.53
TiO2
0.32
-
1.16
CaO
7.99
8.14
1.18
MgO
2.78
2.28
-
SO3
0.13
K2O
3.47
1.35
Na2O
0.84
0.92
P2O5
1.59
Perdida por ignición
0.77
0.68
6.146
4.9
En un estudio reciente acerca de cómo influye en gran medida las condiciones de quema
del bagazo en las propiedades de la ceniza se encontró que en este proceso, el bagazo
atraviesa por varias modificaciones en su estructura.
39
Tabla 1.13 Proceso de modificación en la quema de la ceniza
A 100°C se presenta una perdida inicial de masa, resultante de
la evaporación de agua absorbida.
A 350°C Inicia una ignición del material más volátil, aquí es
donde inicia la quema del bagazo.
Entre 400° a 500°C el carbón residual y los óxidos se forman, se
observa una perdida más importante de masa, después de esta
etapa la ceniza se convierte en amorfa, rica en sílice.
El uso de temperaturas por arriba de los 700°C puede llevar a la
formación de cuarzos, y niveles aún más elevados de
temperatura, pueden crear otras formas cristalinas.
Encima de los 800°C, el sílice presente en la ceniza del bagazo
de caña de azúcar es esencialmente cristalino.
Las modificaciones por la que atraviesa el bagazo en su proceso de quema se
indican en la Tabla 1.13.
La cantidad y la forma de sílice en la ceniza dependen no solamente de la
temperatura, sino también del periodo de quema.
Se señala al respecto en un trabajo realizado en Londres en 1986, que mantener
la ceniza a periodos más largos de quema a temperaturas de 500°C a 680°C por
menos de un minuto, dan como resultado una sílice totalmente amorfa. En el
mismo trabajo, se menciona que las condiciones de quema además de influir en el
grado de cristalinidad de la ceniza, también afecta el área de superficie específica
de las partículas, propiedad estrechamente relacionada con la reactividad de la
ceniza [16].
40
1.5.4. ANTECEDENTES DE INVESTIGACIÓN RECIENTES DE
(CBCA) EN LA ELABORACION DE CONCRETO
Tabla 1.14 Trabajos de investigación de ceniza y CBCA
Trabajo
Autor (es)
País
Año
Utilización de ceniza de bagazo
de caña de azúcar como
sustituto parcial de cemento
portland en morteros, obtenida
en el ingenio de Mahuixtlan, ver.
Zafra 2007
M.C Héctor Eduardo
Hernández Martínez
México
2007
Efecto electroquímico de dos
tipos de puzolanas de origen
industrial y agrícola en concretos
modificados
Ing. Rafael Magaña
Cruz
México
2010
Ing. Aldo Vega
Contreras
México
2009
Ing. Orlando
González Martínez
México
2009
Cuba
2005
“Evaluación de las propiedades
físicas y
mecánicas del concreto a base
de microtecnología con CBCA”
“Caracterización electroquímica
de concretos modificados con
CBCA”
J.F. Martirena
Hernandez, B.
Midenford,
Rudimentary, low tech
incinerators as a means to
M. Gehrke, R.L. Day,
produce reactive pozzolan out of
P. Roque, L.
sugar cane straw
Martínez y
S. Betancourt
41
Trabajo
Una alternativa ambientalmente
compatible para disminuir el
consumo de cemento Portland:
El aglomerante cal-puzolana
como adición mineral activa en
hormigón.
Comportamiento técnicoeconómico y durable del
aglomerante cal-puzolana como
sustituto parcial del Cemento
Portland Ordinario en mezclas
para elaborar bloques de
hormigón
Aglomerante puzolánico formado
por cal y ceniza de paja de caña
de azúcar: La influencia
granulométrica de sus
componentes en la actividad
aglomerante
Efecto de la sustitución parcial
de cemento portland por (cbca)
en la durabilidad de concretos
expuestos a cloruros y sulfatos”
Evaluación de cbca como
sustituto parcial de cemento
portland en concreto hidráulico,
obtenida en el ingenio de la
concepción, ver.
Autor (es)
País
Año
Cuba
2005
Cuba
2005
Cuba
2007
México
2010
México
2010
J.F. Martirena
Hernández,
L. Martínez, S.
Betancourt,
J.M.D. Montes de
Oca
J.F. Martirena
Hernández,
L. Martínez
Rodríguez
L. Martínez
Rodríguez
R. Quintana Puchol
J.F. Martirena
Hernández
Arq. Sabino Márquez
montero
Ing. Rodríguez
Galán Alonso
42
En la Tabla 1.15 se presenta los temas tratados en el 4to Congreso Nacional
ALCONPAT 2010, llevado a cabo en la ciudad de Xalapa Veracruz, en donde
hacen referencia a la ceniza de bagazo de caña, en una serie de trabajos de
investigación como material para construcción.
Tabla 1.15.- Trabajos de investigación presentados en el 4° Congreso Nacional ALCONPAT
2010 [17]
Trabajo
Autor (es)
U. I. Hernández-Toledo,
Efecto de la ceniza de bagazo de caña y el
tiempo de curado en las propiedades de
morteros
P. Montes-García,
T. Caballero-Aquino
V.G. Jiménez-Quero
Efecto de la adición de una puzolana de origen
agrícola en las propiedades de concretos
hidráulicos ternarios
P. Montes-García
C. Gaona-Tiburcio
J. E Buelna Rodríguez
Evaluación de la velocidad de corrosión del
refuerzo en concretos adicionado con ceniza de
bagazo de caña
R. E. Núñez Jaquez
C P Barrios Durstewitz
F. Almeraya Calderón
E. Maldonado-Bandala
Propiedades químicas y mecánicas de la ceniza
del bagazo de caña de azúcar (c.b.c.a.), como
material con propiedades puzolánicas
Miguel A. Baltazar-Zamora1
Demetrio Nieves Mendoza1
H. E. Hernández-Martínez
43
Trabajo
Autor (es)
S. Márquez-Montero
E. E. Maldonado-Bandala
Efecto de la sustitución parcial de cemento
portland por cbca en la durabilidad de concretos
expuestos a cloruros y sulfatos
M .A. Baltazar-Zamora
D. Nieves-Mendoza
R. Romero-López
F.J. Olgui-Coca
E.E. Maldonado-Bandala
M.A. Baltazar Zamora
Caracterización electroquímica de hormigones
modificados con cbca en partículas mayores a
75μm.
D. Nieves-Mendoza
R. Romero-López
E.E. Hernández Martínez
J.F. Olguin-Coca
44
CAPÍTULO II
Metodología experimental
2.1 MATERIALES
Sin lugar a duda el éxito de la preparación de un concreto con las necesidades
requeridas, se debe a la elaboración de un proporcionamiento adecuado, junto con
la elección de materiales los cuales satisfagan los requerimientos de las normas
ya establecidas y mencionadas en el capitulo anterior, debido a esto es
fundamental realizar una caracterización de los materiales utilizados en la
investigación. El cual servirá de manera general el punto inicial para la elaboración
de las probetas de ensayo.
2.1.1 CEMENTO PORTLAND COMPUESTO (CPC)
Es el cemento que resulta de la integración de clinker, Portland, sulfato de calcio y
una mezcla de materiales puzolánicos, escoria de alto horno y caliza. En el caso
de la caliza, este puede ser componente único.
Para la elaboración de las probetas de ensayo se utilizo Cemento Portland
Compuesto Clase 30 de resistencia Rápida (CPC 30 R). Este cemento
corresponde a la clasificación de CPC (Cemento Portland Compuesto), de la
marca Apasco. El cual cumple ampliamente con los requisitos de calidad
estipulados por la norma mexicana del cemento NMX-C-414-ONNCCE-2004. [18]
2.1.2. MATERIALES ÁRIDOS
Los agregados pétreos o materiales áridos como se les conoce también,
considerados en el diseño de la elaboración del concreto hidráulico descritos en
esta investigación de una relación a/c=0.45 cumplen de manera satisfactoria, con
los lineamientos establecidos en la norma la Norma ASTM C 33, “Especificaciones
45
de los Agregados para el Concreto”, y en la Norma Oficial NMX C-111-ONNCCE
“Agregados para el concreto hidráulico”.[19]
Así como también la Norma NMX-C-165-ONNCCE-2004, “que determina la masa
específica y absorción de agua”, en el caso del árido fino y la Norma NMX-C-164ONNCCE-2002 “Determinación de la masa específica y absorción de agua del
agregado grueso”.
2.1.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ÁRIDO FINO
Se define como agregado fino a aquel proveniente de la desintegración natural o
artificial de las rocas. La granulometría va de aquel diámetro que pasa la malla No.
4 y se retiene en la malla No. 100. Sus partículas serán limpias; de perfil
preferentemente angular; duro; compacto y resistente; libre de polvo, terrones,
partículas escamosas o blandas, esquistos, pizarras, álcalis, materia orgánica,
sales u otras sustancias dañinas para el concreto.
La caracterización de este material se llevó a cabo con ayuda a lo establecido en
la Norma NMX-C-165-ONNCCE-2004, que determina la masa específica y
absorción de agua del agregado fino.
Porcentaje de absorción
La absorción de los agregados se determina con el fin de controlar el contenido
neto de agua en el concreto y se puedan determinar los pesos correctos de cada
mezcla.
La absorción es el incremento en la masa del agregado debido al agua en los
poros del material, pero sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de las
partículas, cuándo es sumergido durante 24 horas a temperatura ambiente,
expresado como un porcentaje de la masa seca y es índice de la porosidad del
material. El agregado se considera como "seco" cuando se ha mantenido a una
temperatura de 110°C ± 5°C por suficiente tiempo para remover toda el agua no
combinada.
Expresión matemática:
46
A= Porcentaje de absorción en base a la masa del árido fino, expresado en %.
F= Masa del material saturado superficialmente seco, expresado en gr.
G= Masa del material seco en gr.
Masa específica saturada y superficialmente seca (messs):
Es la relación de masa a volumen, considerando la masa de las partículas
saturadas de agua y superficialmente secas y el volumen solido de las partículas
que incluyen los volúmenes de los poros que se encuentran dentro de las mismas.
Expresión matemática:
Mess= Es la masa especifica saturada superficialmente seca en g/cm 3
C= Es la masa del picnómetro lleno de agua en gr.
D= Es la masa de la muestra usada en gr.
E= Es la masa del picnómetro, muestra y agua hasta nivel de aforo en gr.
Masa específica aparente seca (mes):
Es la relación de masa a volumen considerando la masa de las partículas secas y
el volumen solido de las partículas, que incluyen los volúmenes de los poros
dentro de las mismas.
Expresión matemática:
47
Mess= Es la masa especifica aparente seca en g/cm3
Messs= Masa especifica saturada superficialmente seca en gr/cm 3.
A= Es el porcentaje de absorción, expresado en (%)
2.1.2.2. CARACTERIZACION DEL ÁRIDO GRUESO
El árido o agregado grueso es aquel material el cual está constituido por grava,
grava triturada, roca triturada, escoria de hornos de explosión, concreto de
cemento hidráulico triturado o una combinación de los anteriores.
La caracterización de este material se llevó a cabo con ayuda a lo establecido en
la Norma NMX-C-164-ONNCCE-2002, que determina la masa específica y
absorción de agua del agregado grueso.
Esta Norma Mexicana establece el método de prueba para la determinación de la
masa específica aparente del agregado grueso saturado y superficialmente seco,
y la absorción de agua del agregado grueso. Estos datos se emplean para el
cálculo y la dosificación del concreto hidráulico, que se va a elaborar para la
investigación.
A continuación se presentan las formulas a utilizar para la obtener el porcentaje de
absorción, la masa especifica saturada y superficialmente seca (Messs), así como
la masa especifica aparente seca (Mes). De acuerdo con
lo estipulado en la
norma anterior.
Porcentaje de absorción
Expresión matemática:
48
A= ((Msss-Ms)/Ms) 100
A= Es la absorción expresada hasta décimos de porciento de la masa seca.
Msss= Es la masa saturada y superficialmente seca en kg.
Ms= Es la masa seca en kg.
Masa específica saturada y superficialmente seca (messs):
Expresión matemática:
Dónde:
Msss= Es la masa de la muestra sss en kg
Va= Es el volumen de la muestra en dm3
Messs= Es la masa especifica saturada y superficialmente seca en kg/dm 3
2.1.3. MATERIALES AGROINDUSTRIALES DE SUSTITUCIÓN
Existen importantes industrias en nuestro país que generan grandes cantidades de
subproductos lo que constituye en la actualidad uno de los más grandes retos para
aprovechar estos residuos de manera que aporten beneficios económicos,
tecnológicos y ecológicos. Por tal motivo se estudio el comportamiento de estos
materiales para su posible utilización en la elaboración de concretos hidráulicos.
49
2.1.3.1. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA (CBCA)
México ocupa el décimo tercer lugar de a nivel de mundial y el primer lugar en
Latinoamérica en la producción de caña de azúcar por hectárea, su cultivo se tiene
en una superficie de 812 mil hectáreas dentro del territorio nacional, su producción
se registra en 15 estados de la república; actualmente operan 54 ingenios
azucareros, de los cuales 19 se encuentran en el estado de Veracruz, siendo el
estado con mayor número de ingenios.
La agroindustria azucarera veracruzana se compone de 22 ingenios que
representan al 36 por ciento de la planta azucarera nacional, los cuales se
abastecen de una superficie industrializable de 233 mil 11 hectáreas de caña de
azúcar y dan ocupación directa e indirecta a 145 mil personas en campo y 22 mil
en fábrica, lo que hace un total de 167 mil empleos. En Veracruz, una población
de un millón de personas depende de esta actividad económica.
Tabla 2.1 Producción de caña de azúcar en el Estado de Veracruz (En toneladas)
La ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA), proveniente del Ingenio de La
Concepción; Veracruz fue proporcionada por el catedrático de la facultad de
Ingeniería Civil de la Universidad Veracruzana Dr. Miguel Ángel Baltazar.
El proceso experimental de la investigación se llevo a cabo en las instalaciones
(laboratorio) de esta facultad.
Teniendo ya el material agroindustrial (CBCA), se le realizo la prueba de
granulometría, en la cual se utilizaron las mallas de número 30, 100,200. El
registro se presenta en la tabla 2.2.
50
Cabe mencionar que la ceniza de bagazo que se utilizo para la generación de los
especímenes de concreto fue la que se retiene en la malla 100 y que pasa por la
malla 40, cuyo propósito es que tenga el tamaño significativo de lo que es una
arena de tamaño intermedio.
Tabla 2.2.- Granulometría presentada por la CBCA.
Malla
% retenido
30
10
100
40
200
30
Fondo
20
2.1.4.-AGUA DE MEZCLADO.
Se utilizo agua potable de la red local y no se aprecio olor, color, ni sabor,
cumpliendo así con lo que establece la Norma Oficial NMX C-122-ONNCCE-2004.
[20]
2.2.-PROPORCIONAMIENTO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
El proporcionamiento de una mezcla es el proceso el cual consiste en calcular las
cantidades de los elementos que forman el concreto, con el fin de obtener los
mejores resultados.
Existen diferentes métodos de Diseños de Mezcla, algunos pueden ser muy
complejos, como consecuencia a la existencia de diversos factores de los que
dependen los resultados de dichos métodos, aun así se desconoce el método que
ofrezca resultados perfectos, sin embargo existe la posibilidad de seleccionar
alguno según sea la ocasión. En esta ocasión se tomo la decisión de realizar el
proporcionamiento mediante el método de volúmenes absolutos, el cual es
51
considerado uno de los más exactos, publicado en ACI 211.1. Para el cual se
utilizaron los siguientes materiales los cuales cumplen con los requisitos
especificados en la norma oficial NMX C-111-ONNCCE-2004 y la norma ASTM-C33.
Tabla 2.3.- Características de los materiales
Material
Características
Cemento
Tipo I (CPC 30 R cemento portland compuesto clase 30
resistencia rápida.)
Tamaño nominal ¾ (19mm)
Peso especifico seco en horno = 1283.3 kg/m3
% de absorción = 0.456
Peso volumétrico varillado = 2471.4 kg/m3
Grava
Arena
Agua
Modulo de finura 2.7
Peso especifico seco en horno = 2660 kg/m3
% de absorción = 0.38
Libre de sólidos en suspensión, sin olor
2.2.1.-MÉTODO ACI PARA DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO.
“VOLÚMENES ABSOLUTOS”
El método de volúmenes absolutos consiste en una serie de pasos a seguir que a
continuación se muestran:
A) Condiciones y especificaciones:
Diseño para un concreto que será sometido a ambientes agresivos como es el
agua de mar, que quedará expuesto a humedad en un clima donde no existe
congelación. Requiere una resistencia a la compresión de f’c., de 250 kg/cm2 a los
28 días, usando cemento Portland Tipo I
52
Resistencia a la compresión. Debido a que no se dispone de datos estadísticos,
f´cr (resistencia a la compresión) requerida para efectuar las dosificaciones, de la
Tabla 2.4.
Tabla 2.4 Resistencia a la compresión promedio requerida cuando no se dispone
de datos para establecer una desviación estándar ACI-318
Resistencia a la compresión
especificada
Resistencia a la compresión
requerida promedio
f’c, kg/cm2
f’cr, kg/cm2
Menos que 210
f´c + 70
210<f’c<350
f’c + 85
Mayor que350
f’c + 100
Expresión matemática:
f ' cr  f ' c  85  f ' cr  250  85  335kg / cm 2
B) Relación agua/cemento.
El concepto de relación agua/cemento (a/c), se puede definir como el peso del agua
dividido entre el peso del cemento. Para la elaboración de la mezcla se utilizo una relación
de agua/cemento, según la Tabla 2.5 para los medios especificados de a/c=0.45.
Tabla 2.5 Relaciones agua/cemento máximas para diversas condiciones de exposición ACI318
Condición de exposición
Relación agua/cemento
máxima (en peso) para
concretos de peso normal
Concreto protegido a la congelación y
Escoja la relación
53
deshielo o a la aplicación de productos
químicos descongelantes
agua/cemento basándose en
los requisitos de resistencia
trabajabilidad y acabados.
Concreto que se pretende sea hermético:
 Concreto expuesto a agua
dulce.
 Concreto expuesto a agua
salina o agua de mar.
0.50
0.45
Concreto expuesto a congelación
deshielo en condición húmeda:
 Guarniciones,
guardarrailes,
delgadas.
o
y
cunetas,
secciones
 Otros elementos.
 En presencia de productos
químicos descongelantes.
Como protección contra la corrosión del
concreto reforzado expuesto a sales
descongelantes, aguas salobres, agua
de mar, o al rocío proveniente de estas
fuentes
0.45
0.50
0.45
0.40-0.45
C) Tamaño del agregado grueso
Por especificación, el tamaño máximo de agregado debe ser el mayor disponible
económicamente y compatible con las dimensiones de la estructura. En ningún caso el
tamaño máximo nominal no debe exceder 1/5 de la menor dimensión entre los lados de
las cimbras, 1/3 del espesor de las losas, ni 3/4 del espacio libre mínimo entre varillas o
torones de pretensado. En nuestro proporcionamiento se propone una relación agua
cemento a/c 0.45 para la elaboración de las probetas de ensaye con resistencia a la
compresión de proyecto 250 kg/cm2 así podemos usar sin ningún problema el agregado
que ya caracterizado y que tiene un tamaño máximo de 3/4” (19 mm.)
54
D) Selección del revenimiento
La prueba de revenimiento es una medida de la consistencia del concreto, la cual
nos va indicar la trabajabilidad de la mezcla, entre más alto sea el revenimiento
más agua contiene la mezcla.
Cuando no se especifica el revenimiento se pueden tomar un valor apropiado
para una obra de los que aparecen en la Tabla 2.6. Con base a las
especificaciones del
concreto a utilizar se decidió ocupar como referencia un
revenimiento recomendado para pavimentos y losas de 7.5 máximo y un mínimo
de 2.5cm
Tabla2.6. Revenimientos recomendados para diversos tipos de construcción
Tipos de construcción.
revenimiento en
cm.
máximo
Mínimo
7.5
2.5
7.5
2.5
Vigas y muros reforzados
10
2.5
Columnas para edificios
10
2.5
Pavimentos y losas
7.5
2.5
Concreto masivo
7.5
2.5
Muros de cimentación y zapatas
Zapatas, cajones de cimentación
y
Muros de sub-estructura sencillos
E)
Cálculo del agua de mezclado y el contenido de aire
El contenido de agua para la mezcla se determina con ayuda de la tabla 2.4, con
las características de revenimiento, tamaño del agregado y con o sin aire incluido.
En base a las condiciones y especificaciones del concreto que se va a elaborar, el
concreto es sin aire incluido, con un revenimiento de 2.5 a 7.5cm y con un tamaño
55
de agregado de 19.9mm (3/4”). La tabla nos da un valor aproximado de 202
kg/m3.de agua, sin embargo, la grava con partículas trituradas debe reducir el
contenido de agua de la tabla en un aproximado de 21kg.
Expresión matemática:
Agua  202  21  181kg
Con respecto al contenido de aire, el concreto va contar con un aproximado de
2.0%, con base a lo estipulado en la tabla 2.7.
Tabla 2.7.-Requisitos aproximados para el contenido de agua de mezclado y para el
contenido de aire deseado para distintos revenimientos y tamaños máximos de agregado
ACI-318
Revenimiento, cm
Agua, kg/m3de concreto, para los tamaños de
agregado máximo
9.5 mm
12.7 mm
19.0 mm
25.4mm
38.1mm
Concreto sin aire incluido
2.5 a 5
208
199
187
178
163
7.5 a 10
228
217
202
193
178
15.0 a 18
243
228
214
202
187
Cantidad de aire,
aproximada, en el
concreto sin aire ocluido
3.0%
2.5%
2.0%
1.5%
1.0%
F) Cálculo del contenido de cemento
El contenido de cemento se determina a partir de la relación agua/cemento y del
contenido de agua ya calculados anteriormente. El determinar un contenido de
cemento adecuado va asegurar una durabilidad, calidad, acabados satisfactorios y
una mayor economía.
Expresión matemática:
56
Cemento  181kg(agua) / 0.45  402.22kg
G) Cálculo del contenido del agregado grueso
La cantidad de agregado grueso que se requiere se puede calcular utilizando la
tabla No (5), mediante el tamaño máximo nominal del agregado grueso y el
modulo de finura de la arena
El volumen que se necesita para un agregado de 19mm (3/4) de tamaño máximo
nominal, de peso volumétrico 1283.3 kg/m 3 y de un modulo de finura de la arena
de 2.7, es de 0.63.
Expresión matemática:
Grava  (1283.3kg / m3 )  0.63  808.50kg / m3
Tabla 2.8 Volumen del agregado grueso por unidad de volumen de concreto
Tamaño máximo
de agregado, mm
Volumen de agregado grueso varillado
seco* por volumen unitario de concreto
para distintos módulos de finura de
agregado fino
2,40
2,60
2,80
9,5
0,50
0,48
0,46
12,7
0,59
0,57
0,55
19,0
0,66
0,64
0,62
25,4
0,71
0,69
0,67
H) Cálculo del contenido de agregado fino
El procedimiento que se lleva para determinar la cantidad de agregado fino, ya
que se conoce el volumen de los demás componentes de la mezcla e de concreto,
es por diferencia; Esto es sustrayendo el volumen de los componentes conocidos
a un metro cubico. El método de dosificación fundamenta que el volumen ocupado
57
por cualquier elemento del concreto es igual a su peso conocido dividido entre la
densidad de ese material.
Expresión matemática:
Agua 
181kg
 0.181m 3
3
1000kg  m
Cemento 
Grava 
402.22kg
 0.128m 3
3
3150kg  m
808.50kg
 0.33m 3
3
2471.4kg  m
Volumen ocupado por los componentes: 0.326m3
Como el cálculo es para un m3 de concreto, se realiza la diferencia, para obtener
el contenido del agregado fino (arena):
Expresión matemática:
Arena  1.000  0.626  0.361m3
Cantidad de agregado fino  0.361m3  2660kg / m3  960.26kg
[21]
Recopilación de resultados de la dosificación para la mezcla de concreto de
acuerdo a la ACI 211.1. “Método de volúmenes absolutos”. Mostrados en la
tabla 2.8
58
Tabla 2.8 Proporciones de los componentes de la mezcla de concreto para 1 m2.
Componentes
Volumen (m3)
Peso (kg)
Cemento
0.128
402.22
Agua
0.181
181
Agregado grueso (grava)
0.33
808.50
Agregado fino (arena)
0.361
960.26
2.3. DOSIFICACIÓN DE CBCA EN LA MEZCLA
Con la finalidad de estudiar el comportamiento que tiene este desecho
agroindustrial al ser utilizado en la elaboración de concreto. La ceniza de bagazo
de caña de azúcar (CBCA) va hacer utilizada en esta ocasión como árido fino. La
manera en que se va implementar la dosificación, es a base de sustitución
porcentual.
Los porcentajes utilizados de CBCA son de 5% y 10% del peso del agregado fino,
obtenido en el proporcionamiento de la mezcla de concreto mostrado en la tabla
4.3. Lo cual conlleva a elaborar tres diferentes mezclas, las dos de los porcentajes
de sustitución y una más la cual va servir de parámetro de comparación, la cual se
va a manejar sin ninguna modificación en sus componentes.
En la tabla 2.9 se muestran las proporciones en peso de las diferentes mezclas
que se van a utilizar para la elaboración del concreto a evaluar.
59
Tabla2.9.-Nomenclatura de las mezclas de concreto
MEZCLA
ÁRIDO FINO %
CBCA %
NOMENCLATURA
A
100
0
A(100AF)
B
95
5
B(95AF/5CBCA)
C
90
10
C(90AF/10CBCA)
La tabla 2.10 se muestra las dosificaciones, tomando en cuenta los porcentajes
respectivos de CBCA.
Tabla 2.10 dosificaciones por el método de Volúmenes Absolutos
MATERIAL
A(100AF)
B(95AF/5CBCA)
Cemento
402.22 kg
Agua
181 kg
Árido grueso
808.50 kg
C(90AF/10CBCA)
Árido fino
960.26 kg
912.247 kg
864.234 kg
CBCA
-
48.013 kg
96.026 kg
2.4. ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS DE ENSAYO
2.4.1 PREPARACIÓN DE LOS MOLDES DE LAS PROBETAS
Para la elaboración de las probetas de concreto se utilizaron moldes cilíndricos de
lámina rígida, con dimensiones de 15cm de diámetro y 30cm de altura, se
limpiaron de tal forma que se les quitara los residuos para evitar la contaminación
del concreto, así, como las imperfecciones que puedan generar en las probetas.
Prosiguiendo con la preparación de los moldes se le aplica una película de aceite
en el interior del molde, la cual su función para facilitar el desmolde de las
60
probetas, el cual va a evitar la adherencia entre la lámina y el concreto. En la
figura 1.0 se muestran los moldes que se utilizaron para la elaboración de las
probetas de concreto.
2.4.2.- ELABORACIÓN DE LA MEZCLA Y COLADO DE LAS
PROBETAS
La fabricación de la mezcla de concreto se va a realizar con base a lo estipulado
en norma NMX-C-159-ONNCCE-2004 “Elaboración y curado de especímenes en
el laboratorio” y con el proporcionamiento ya calculado anteriormente, mostrado en
la tabla 2.10. Con materiales previamente caracterizados y resguardados en
envases, para mantener en lo más posible las características iniciales de los
materiales, para tener un mejor control en la calidad de la mezcla. [22]
Las herramientas con la que se conto para realizar la mezcla fue una revolvedora
de capacidad para un saco de cemento, con motor a gasolina, la cual por sus
condiciones en las que se encontraba solo funciono para unas mezclas, lo cual
provoco a realizar las demás mezclas de manera manual, utilizando palas.
La elaboración de la mezcla se inicio con peso de los materiales a utilizar
conforme al proporcionamiento, se humedeció el interior de la revolvedora para
evitar alterar el contenido de agua de la mezcla, se procede a incorporar los
materiales a la revolvedora, se inicia introduciendo una parte de la cantidad de
agua total, después se incorpora el agregado grueso, el agregado fino con CBCA,
el cemento y el resto del agua, entre cada incorporación se dejo unos minutos
revolver para obtener la mezcla requerida,
Las mezclas que se realizaron de manera manual, se compensaron en relación a
la humedad, por diferentes factores como: la exposición al aire libre, mayor tiempo
para revolver los materiales, lo cual provoca una mayor evaporación.
2.4.3. ENSAYO DE REVENIMIENTO DE LA MEZCLA
61
La prueba de revenimiento o también conocida como de asentamiento, tiene la
finalidad de proporcionar un procedimiento para determinar el revenimiento de los
concretos plásticos hechos a base de cemento hidráulico.
El procedimiento a llevar a cabo es:
1.- Humedecer el molde y el piso o placa base, ejecutar sobre una superficie rígida
no absorbente.
2.- Apoyar firmemente el molde sobre la base colocando y presionando con los
dos pies los estribos del molde. Por ningún motivo debe moverse los pies durante
el llenado del molde.
3.- Llenar el molde en tres capas de igual volumen, la primera capa a una
profundidad de 70 mm., la segunda hasta de 160 mm., y la tercera hasta el borde
superior del molde.
4.- Compactar cada capa en toda su profundidad con 25 penetraciones de la
varilla, distribuyendo las penetraciones en toda la superficie de cada capa.
5.- Compactar la segunda y tercera capa penetrando la capa anterior 25 mm. (1
pulgada) y varillar desde cerca del perímetro y continuar progresivamente en
forma espiral hacia el centro del molde.
6.- Cuando compacte la última capa, mantener un excedente de concreto sobre el
molde antes de comenzar el varillado, si el concreto es insuficiente detener el
varillado y colocar una cantidad representativa para mantener un exceso de
concreto sobre el molde todo el tiempo.
7.- Enrasar el concreto rodando la varilla de compactación sobre el borde superior
del molde.
62
8.- Continuar manteniendo el molde firme y remover el concreto alrededor del área
circundante de la base del molde para prevenir la interferencia en el momento del
asentamiento del concreto.
9.- Continuar manteniendo el molde firme y remover el concreto alrededor del área
circundante de la base del molde para prevenir la interferencia en el momento del
asentamiento del concreto.
10.- Medir con una precisión de ¼ de pulgada (5 mm) el revenimiento, desde la
parte superior del molde hasta el centro desplazado de la superficie original del
espécimen. Si al levantar el cono se produce una falla por corte, es necesario
descartar la prueba y realizar el ensayo con una nueva porción de mezcla, si la
falla se repite, es posible que el concreto no tenga la plasticidad necesaria o sea
cohesiva para aplicar este ensayo de revenimiento.
11.- Ejecute la prueba, desde su inicio hasta el final sin interrupciones en no más
de 2.5 minutos.
Consideraciones:
El revenimiento del concreto disminuye con el tiempo y las altas temperaturas
Si se observa una clara caída o desmoronamiento de un lado o una parte de la
masa del hormigón después de levantar el molde (cono), se debe descartar la
prueba y hacer una nueva con otra parte de la muestra.
En la siguiente imagen se muestra como se llevo a cabo esta prueba.
63
Figura 2.1.- Prueba de revenimiento
2.4.4. COLADO DE LAS PROBETAS
Una vez ya formada la mezcla para evitar la segregación, se deposito el concreto
mezclado por la revolvedora en una carretilla limpia y húmeda, Inmediatamente se
inicio con el llenado de los moldes, siguiendo las especificaciones que establece la
norma ASTM C31”Elaboración y curado en obra de especímenes de concreto para
pruebas de compresión”. Así como para las pruebas de caracterización de
concreto fresco. [23]
En total se realizaron 51 probetas cilíndricas de las tres diferentes mezclas que se
generaron con los porcentajes de CBCA. El procedimiento que se llevo a cabo en
el llenado de los moldes conforme a la norma, es:
1.-Colocar el molde sobre una superficie horizontal, rígida, nivelada y libre de
vibraciones.
2.- Colocar el concreto en el interior del molde, moviendo el cucharón alrededor
del borde del molde para asegurar la distribución del concreto y una segregación
mínima mientras se descarga el concreto.
3.- Llenar el molde en tres capas de igual volumen. En la última capa, agregar la
cantidad de concreto suficiente para que el molde quede lleno después de la
64
compactación. Ajustar el sobrante o faltante de concreto con una porción de
mezcla y completar el número de golpes faltantes.
4.- Compactar cada capa con 25 penetraciones de la varilla usando la punta
semiesférica, distribuyendo uniformemente las penetraciones.
5.- Compactar la capa inferior en todo su espesor. Compactar la segunda y tercera
capas, penetrando 1 pulgada (25 mm) en la capa anterior.
6.- Después de compactar cada capa, golpear los lados del molde ligeramente de
10 a 15 veces con el mazo para liberar las burbujas de aire que pueden quedar
atrapadas.
7.- Enrasar el exceso de concreto con la varilla de compactación y si es necesario
se le da un acabado con una llana o cuchara.
Figura 2.2. Esquema de llenado de moldes de las probetas
2.4.5. CURADO DE LAS PROBETAS
El curado consiste en el mantenimiento de contenidos de humedad y de
temperaturas
satisfactorios en
el concreto
durante
un
periodo
definido
inmediatamente después de la colocación y acabado, con el propósito que se
desarrollen las propiedades deseadas. Al mezclar cemento Portland con agua, se
lleva a caso la reacción química denominada hidratación. El grado hasta el cual
65
esta reacción se llegue a completar, influye en la resistencia, la durabilidad y en la
densidad del concreto.
Los objetivos del curado son por consiguiente:
1.- Prevenir la pérdida de humedad del concreto.
2.- Mantener una temperatura favorable en el concreto durante un período
definido.
Una vez coladas las probetas se dejaron pasar 24 horas para poderlas desmoldar,
inmediatamente se colocaron a una pila de agua, para iniciar el proceso de curado
por inmersión, de acuerdo al norma ASTM C31”Elaboración y curado en obra de
especímenes
de
concreto
para
pruebas
de
compresión”.
Los
cilindros
permanecieron en inmersión en posición vertical como se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3.- Estanque de Curado
2.5. ENSAYOS PRACTICADOS AL CONCRETO ENDURECIDO
2.5.1. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE
Las mezclas de concreto se pueden diseñar de tal manera que tengan una amplia
variedad de propiedades mecánicas y de durabilidad que cumplan con los
requerimientos de diseño de la estructura. La resistencia a la compresión del
concreto es la medida más común de desempeño que se emplea para la
66
evaluación general de los edificios y otras estructuras. La resistencia a la
compresión se mide a partir de la carga de ruptura, tanto desde el punto de vista
de durabilidad, como de la capacidad de resistencia mecánica dividida por el área
de la sección que resiste a la carga.
Los resultados de las pruebas de resistencia a partir de cilindros se puede utilizar
para fines de control de calidad, aceptación
del concreto o para estimar la
resistencia del concreto en estructuras para programar las operaciones de
construcción tale como la remoción de cimbras o para evaluar la conveniencia de
curado y protección suministrada a la estructura.
Las probetas cilíndricas se someten a ensayo de acuerdo a ASTM C39, “Método
Estándar de Prueba de Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de
Concreto”.
Las probetas cilíndricas para pruebas de aceptación deben tener un tamaño de 6 x
12 pulgadas (150 x 300 mm), en este caso fueron las que se ocuparon en esta
investigación ó 4 x 8 pulgadas (100 x 200 mm), cuando así se especifique. Las
probetas más pequeñas tienden a ser más fáciles de elaborar y manipular en
campo y en laboratorio. El diámetro del cilindro utilizado debe ser como mínimo
3 veces el tamaño máximo nominal del agregado grueso que se emplee en el
concreto.
Consideraciones que se deben tener para realizar la prueba:
Con el fin de conseguir una distribución uniforme de la carga, generalmente los
cilindros se cabecean con mortero de azufre como lo estipula la norma ASTM C
617, o con tapas de almohadillas de neopreno conforme a la norma ASTM C 1231.
Las cubiertas de azufre se deben aplicar como mínimo 2 horas antes y
preferiblemente 1 día antes de la prueba. Las cubiertas de almohadilla de
neopreno se pueden utilizar para medir las resistencias del concreto entre 1.500 y
7.000 psi (10 a 50 MPa). Para resistencias mayores de hasta 12.000 psi, se
permite el uso de las tapas de almohadillas de neopreno siempre y cuando hayan
sido calificadas por pruebas con cilindros compañeros con tapas de azufre. Los
67
requerimientos de dureza en durómetro para las almohadillas de neopreno varían
desde 50 a 70 dependiendo del nivel de resistencia sometido a ensayo. Las
almohadillas se deben sustituir si presentan desgaste excesivo. No se debe
permitir que los cilindros se sequen antes de la prueba.
• El diámetro del cilindro se debe medir en dos sitios en ángulos rectos entre sí a
media altura de la probeta y deben promediarse para calcular el área de la
sección. Si los dos diámetros medidos difieren en más del 2%, no se debe
someter a prueba el cilindro.
Los extremos de las probetas no deben presentar desviación con respecto a la
perpendicularidad del eje del cilindro en más 0.5% y los extremos deben hallarse
planos dentro de un margen de 0.002 pulgadas (0.05 mm).
• Los cilindros se deben centrar en la máquina de ensayo de compresión y
cargados hasta completar la ruptura. El régimen de carga con máquina hidráulica
se debe mantener en un rango de 20 a 50 psi/s (0.15 a 0.35 MPa/s) durante la
última mitad de la fase de carga.
Se debe anotar el tipo de ruptura. La fractura cónica es un patrón común de
ruptura.
• La resistencia del concreto se calcula dividiendo la máxima carga soportada por
la probeta para producir la fractura entre el área promedio de la sección. C 39
presenta los factores de corrección en caso de que la razón longitud-diámetro del
cilindro se halle entre 1.75 y 1.00, lo cual es poco común. Se someten a prueba
por lo menos 2 cilindros de la misma edad y se reporta la resistencia promedio
como el resultado de la prueba, al intervalo más próximo de 10 psi (0.1 MPa).
• El técnico que efectúe la prueba debe anotar la fecha en que se recibieron las
probetas en el laboratorio, la fecha de la prueba, la identificación de la probeta, el
diámetro del cilindro, la edad de los cilindros de prueba, la máxima carga aplicada,
el tipo de fractura, y todo defecto que presenten los cilindros o sus tapas. Si se
miden, la masa de los cilindros también deberá quedar registrada.
• El rango entre los cilindros compañeros del mismo conjunto y probado a la
misma edad deberá ser en promedio de aprox. 2 a 3% de la resistencia promedio.
68
Si la diferencia entre los dos cilindros compañeros sobrepasa con demasiada
frecuencia el 8%, o el 9.5% para 3 cilindros compañeros, se deberán evaluar y
rectificar los procedimientos de ensayo en el laboratorio.
A menudo, la causa de una prueba malograda puede verse fácilmente en el
cilindro, bien inmediatamente o mediante examen petrográfico. Si se desechan o
botan estos cilindros, se puede perder una oportunidad fácil de corregir el
problema.
En esta ocasión la prueba de compresión simple se realizo con una prensa
eléctrica con una capacidad de 120 toneladas, llevando un seguimiento conforme
a norma, en la figura 2.4, se muestra la forma en cómo se realizo el cabeceo y la
prueba de compresión simple.
Figura 2.4 Cabeceo y prueba de compresión simple de las probetas de concreto.
2.5.2. MÉTODO DE PRUEBA DE PERMEABILIDAD PARA EL
CONCRETO
La permeabilidad, es la propiedad del concreto de poseer una baja permeabilidad
a los fluidos; es una condición necesaria para el buen desempeño y durabilidad de
las estructuras; es posible evaluar esta propiedad, bajo el criterio de la ASTM C
69
642, que nos ayuda a determinar la densidad, el porcentaje de absorción y el
porcentaje de porosidad o vacíos en el concreto endurecido
Este método consiste en un conjunto de ensayos que se le realizan al concreto en
estado endurecido, las cuales con sus resultados no va a permitir dar un punto de
vista de cómo reacciona el concreto ante la penetración de fluidos líquidos, como
el agua principalmente, así como de fluidos gaseosos como el aire.
Las pruebas que se van a realizar para medir esta propiedad son: El ensayo de
absorción capilar, ensayo de absorción de agua (% de absorción total)
y el
ensayo de porosidad (porosidad total). Es posible evaluar esta propiedad, bajo el
criterio de la norma ASTM C 642, que nos ayuda a determinar la densidad, el
porcentaje de absorción y el porcentaje de porosidad o vacíos en el concreto
endurecido. [24]
Se le considera porosidad del concreto a los espacios vacíos que quedan en la
masa de los morteros y concretos a consecuencia de la vaporación del agua
excedente del amasado y del aire atrapado en su manipulación. Estos vacíos o
poros se conocen dependiendo su tamaño y características.
Poros de gel
Son de menor tamaño (<15-25A’) y corresponden a espacios intersticiales del gel
cemento. Estos poros solo intercambian agua con el ambiente cuando sacan
humedades < 20%.
Poros capilares
Son de forma variable y tamaño del orden de 2nm y 1um cuando están
interconectados y abiertos al exterior constituyen la causa principal de
permeabilidad de la pasta de cemento endurecida así como su vulnerabilidad a la
acción de agentes externos.
70
Por ello la eliminación de la capilaridad interconectada es una condición necesaria
para su durabilidad.
Poros de aire
Son generados por las burbujas de aire atrapadas en la masa del concreto en el
proceso de manipulación tecnológica. No suelen estar interconectados entre si y
su dimensión es variable
aunque generalmente son mayores de 0.05 mm.
Aunque afecta la resistencia mecánica, en cuanto a la durabilidad puede, según el
caso, incluir efectos benéficos.
La absorción capilar se puede definir como la masa de agua por unidad de área
que puede ser absorbida en los capilares cuando el concreto se encuentra en
contacto con agua líquida. Representa la porosidad efectiva o accesible al agua y
por tanto a los agresivos ambientales.
2.5.3. ENSAYO DE ABSORCIÓN CAPILAR
La metodología de este ensayo se debe a la propuesta de Fagerlund, sustentada
en la normativa sueca la cual describe la cinética de la absorción capilar de
mortero y concretos a través de tres coeficientes.
m = Resistencia a la penetración del agua.
K = Coeficiente de absorción capilar.
Єe = Porosidad efectiva.
El procedimiento que se utiliza para la elaboración de esta prueba es el siguiente:
1.- Se realiza sobre especímenes de espesor H≥50mm (recomendándose de 20 a
30mm en concretos especiales).
Figura 2.2. Corte en secciones de las probetas H=30mm
71
Figura 2.5.-Corte de la muestra de h=30 mm
2.- Una vez teniendo los especímenes (pastillas) con el espesor requerido se la da
un pre-acondicionamiento de secado a 50oC durante 48 horas, para conseguir que
su peso sea constante. Una vez obtenido el peso constante se registra su peso
inicial (W o).
Figura 2.6. Secado de los especímenes en horno eléctrico.
3.- Se cubren con resina o parafina las aéreas laterales curvas del espécimen
(pastilla), para evitar la absorción en esas partes alterando los resultados.
72
Figura 2.7. Espécimen preparado con parafina
4.- Ya registrado el peso inicial (W o), el espécimen se coloca en un tara
previamente preparada con una película de 10mm de espesor de arena y con un
nivel de agua de aproximadamente 3mm, por encima de la parte inferior de la
pastilla de ensayo y a lo largo del ensayo mantener cubierto el recipiente para
evitar la evaporación
.Figura 2.8. Preparación del recipiente para la colocación de los especímenes.
El cambio de peso (W t – W o) del espécimen por unidad de área expuesta del
espécimen se registra a intervalos de tiempo
de 1/12 (5min, 1/6(10min),
1/4(15min.), ½(30min), 1, 2, 3, 4, 6, 24 y 48 horas.
73
Los coeficientes se calculan con base a las siguientes ecuaciones:
m = t/z2
Donde z representa la profundidad de penetración del agua al tiempo t
k = [[(Wt-Wo)/A] / √t] (kg/m2 s1/2
e = (k √m) / 1000
(%)
El coeficiente k puede ser evaluado como la pendiente de la región lineal del grafico (WtWo)/A en función de la raíz cuadrada del tiempo.
El coeficiente puede ser determinado calculando el tiempo requerido para que el agua
ascienda a la cara superior de la probeta, es decir cuando, z = H. [25]
Con base a lo anterior se calcula la absorción capilar(S).
Expresión matemática:
S = (1/√m)
(mm/h1/2) o (m/s1/2)
2.5.4. ENSAYO DE ABSORCION DE AGUA ( % DE ABSORCIÓN TOTAL)
Aunque las normas recomiendan el uso de especimenes de diametro y espesor de
75mm, pueden se utilizados especimenes de otras dimensiones. Lo cual se reaizo
ya que se usaron de H=30mm, como en la prueba anterior.
El procedimiento que se utiliza para la elaboración de esta prueba es el siguiente:
74
1.-Se someten a un pre-acondicionamiento se secado a 105oC por 72 horas para
obtener su peso constante del especimen .
2.- Ya registrado el peso constante del especimen, se enfrian en un desecador
durante 24 horas, aunque es más conveniente usar un secado a 50 oC con el fin
de no dañar el gel del cemento
3.- Luego de pesada la probeta (W 0), se sumerge en agua cuyo nivel debe estar
25 más menos 5mm por encima del nivel superior del especimen, durante un
intervalo de tiempo de 30 minutos.
Figura 2.9. Especímenes sumergidos en agua, para el ensaye.
Una vez transcurrido el intervalo de tiempo, 30 minutos , se retiran del recipiente y
se seca la parte exterior para pesarse nuevamente Wf.
El agua absorbida se expresa en porventaje
Expresión matematica:
% agua absorbida = (Wf - Wo)(100)/Wo
75
* Este ensayo difiere del anterior, en que no se asegura un completo llenado de la
red de capilares.
2.5.5. ENSAYO DE POROSIDAD
Este ensayo puede efectuarse en probetas utilizadas en los anteriores ensayos.
El procedimiento a seguir es el siguiente:
1.- El espécimen se pre-acondiciona como en los casos anteriores, se sumerge en
agua totalmente durante 24 horas mínimo, al cabo de las cuales se registra su
peso saturado de agua. Esto es, la prueba de absorción de agua, anteriormente
mencionada.
2.- El siguiente paso es pesar los especímenes sumergidos en agua. Este peso se
determina con ayuda de una balanza hidrostática.
Figura 2.10. Peso del espécimen en suspensión.
3.- el espécimen se seca a 105o aproximadamente hasta tener el peso de
espécimen constante y se registra su peso.
4.- Una vez concluida esta etapa se procede a colocar los especímenes en
ebullición por 5 horas lo que se pretende con esto es que al calentar los
76
especímenes los poros se dilaten y tengan una mayor absorción, posteriormente
se dejan secar durante 14 horas y se procede a realizar su pesado
Figura 2.11. Colocación de los especímenes para saturarlos mediante ebullición.
CAPÍTULO III
ANALISIS DE RESULTADOS
En este capítulo con base a la metodología experimental, se presentan los
resultados obtenidos de la caracterización de los componentes que se utilizaron
para elaborar las mezclas de concreto y las pruebas de ensayo que se le fueron
realizadas al concreto para evaluar su comportamiento.
3.1. EVALUACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.
En la siguiente tabla se muestran las características y resultados de los ensayos a
que fueron sometidos los materiales utilizados en la mezcla de concreto a evaluar,
conforme a la Norma ASTM C 33 “Especificaciones de los Agregados para el
Concreto”
77
Tabla 3.1. Valores de las pruebas de los materiales.
Material
Características
Cemento
Tipo I (CPC 30 R cemento portland compuesto clase 30
resistencia rápida.)
Tamaño nominal ¾ (19mm)
Peso especifico seco en horno = 1283.3 kg/m3
% de absorción = 0.456
Peso volumétrico varillado = 2471.4 kg/m3
Grava
Arena
Modulo de finura 2.7
Peso especifico seco en horno = 2660 kg/m3
% de absorción = 0.38
Agua
3.2.
MÉTODO
Libre de sólidos en suspensión, sin olor
ACI
PARA
DISEÑO
DE
MEZCLAS
DE
CONCRETO.
“VOLÚMENES ABSOLUTOS”
En la siguiente tabla se presenta, los resultados de la dosificación para las
mezclas de concreto conforme al método volumétrico, de la publicación ACI 211.1,
así como los porcentajes que se van a sustituir de ceniza de bagazo de caña
(CBCA) por árido fino
Tabla 3.2. Dosificación por un m3 de concreto hidráulico.
MATERIAL
A(100AF)
B(95AF/5CBCA)
Cemento
402.22 kg
Agua
181 kg
Árido grueso
808.50 kg
C(90AF/10CBCA)
Árido fino
960.26 kg
912.247 kg
864.234 kg
CBCA
-
48.013 kg
96.026 kg
78
3.3. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE
La manera en que se llevo el control del comportamiento del concreto modificado
con CBCA, es de realizarle una serie de pruebas que nos lleve a dar un criterio de
la manera en que está reaccionando el concreto con el uso del material
agroindustrial. Las pruebas se realizaron a los 14, 28 y 60 días después de su
elaboración, para esto se tuvieron que elaborar 3 especímenes para las edades de
14 y 28 días y 4 para la edad de 60 días.
Las mezclas que se realizaron para llevar a cabo el estudio fueron 3, las cuales se
muestra su nomenclatura en la tabla 3.3. La mezcla A va ser utilizada de patrón,
por no ser modificada en sus componentes y la cual nos va brindar los parámetros
de cómo van evolucionando las mezcla B y C, las cuales tienen porcentajes
diferentes de contenido de CBCA, a la cual realizo la prueba física de
granulometría y se ocupo la retenida en la malla 100, para similar el tamaño del
árido fino (arena).
Tabla 3.3 Nomenclatura de las mezclas de concreto
MEZCLA
ÁRIDO FINO %
CBCA %
NOMENCLATURA
A
100
0
A(100AF)
B
95
5
B(95AF/5CBCA)
C
90
10
C(90AF/10CBCA)
Para la elaboración del ensayo de compresión simple se utilizaron tres
especímenes por cada mezcla como lo fomenta la norma ASTM C39. La
resistencia a la compresión del espécimen se calcula dividiendo la carga máxima
soportada durante la prueba entre el área de la sección transversal del cilindro. En
la tabla 3.4. Se muestran los valores registrados por la prensa eléctrica de los
diferentes especímenes que se ensayaron para la prueba de compresión simple,
con respecto a la edad de elaboración de los concretos (14, 28 y 60 días).
79
Tabla 3.4. Valores obtenidos de la prensa eléctrica en kg
Mezcla
concreto
de Días de elaboración del concreto
de No
espécimen
A
14
28
60
1
39800
46600
59200
2
54000
60800
67000
3
56400
57200
66600
4
-
-
69400
1
38000
34000
40000
2
33400
36000
40000
3
31600
38200
43200
4
-
-
42800
1
29000
31000
39000
2
30200
30200
41200
3
28400
36000
38800
4
-
-
37800
100 % AF
Prueba control
B
95% AF
5% CBCA
C
90% AF
10% CBCA
a). Prueba de compresión simple a concreto a la edad de 14 días.
La tabla 3.4. Muestra los resultados que su obtuvieron de la prensa que se utilizo
para la prueba a compresión utilizada en concretos de las mezclas A, B y C, a la
edad de 14 días. Dando a conocer el comportamiento que tienen, los tres
diferentes concretos. Se observa que el concreto con mejor propiedad a la
resistencia a compresión lo muestra el concreto que no se le adiciono CBCA
(concreto control), mientras que los concretos C y B, mostraron menor resistencia
a la compresión respectivamente.
80
Tabla 3.5. Prueba de compresión a concretos a la edad de 14 días.
Mezcla de
concreto
No de
probeta
14 Días de elaboración del concreto
A
1
225.221
100 % AF
2
305.580
Prueba control
3
319.160
B
1
215.036
95% AF
2
189.005
5% CBCA
3
178.819
C
1
164.897
90% AF
2
170.897
10% CBCA
3
160.711
f’c en kg/cm2
Promedio de f’c
*f’c en %
283.320 kg/cm2
100%
194.287 kg/cm2
68.58%
165.502 kg/cm2
58.42%
Aunque la edad de los especímenes es temprana (14 días), los resultados difieren
de manera considerable, conforme a la muestra control A (100AF), que tuvo una
resistencia promedio de 283.320 kg/cm2, comparada al concreto B (95AF/5CBCA)
que obtuvo un promedio de resistencia de 194.287 kg/cm2, tiene una diferencia
menor de 89.033 kg/cm2 ( 31.42%), así como la del concreto C(90AF/10CBCA)
cuyo promedio fue de 165.502 kg/cm2 cuya diferencia es de 117.818 kg/cm2
(41.58%).
b) Prueba de compresión simple a concreto a la edad de 28 días.
En esta fase de la prueba de compresión a los 28 días de elaboración de las
probetas, el comportamiento que tienen los distintos concretos sigue la misma
línea que los de la prueba a los 14 días. Las resistencias de los concretos
incremento, la del concreto A (100AF) obtuvo una resistencia promedio de
81
310.481 kg/cm2, la del concreto B (95AF/5CBCA) fue de 204.096 kg/cm2 con
diferencia de 106.3850 kg/cm2 (34.26%) con respecto a la mezcla del concreto A
(100AF) y la del concreto C (90AF/10CBCA) es igual a 183.346 kg/cm2
disminuyendo 127.135 kg/cm2 (40.95%).
Tabla 3.6. Prueba de compresión a concretos a la edad de 28 días.
Mezcla de
concreto
No de
probeta
28 Días de elaboración del concreto
A
1
263.702
100 % AF
2
344.057
Prueba control
3
323.685
B
1
192.401
95% AF
2
203.718
5% CBCA
3
216.168
C
1
175.424
90% AF
2
170.897
10% CBCA
3
203.718
f’c en kg/cm2
Promedio de f’c
*f’c en %
310.481 kg/cm2
100%
204.096 kg/cm2
65.74%
183.346 kg/cm2
59.05%
* La f’c en %, se encuentra con respecto a la muestra control.
Teniendo en consideración que a esta edad el concreto convencional ya cuenta
con la mayor parte de su resistencia total y que la prueba control ya tenga la
resistencia de la mezcla de diseño de 250 kg/cm2, se puede observar que la
evolución de las probetas a las cuales se les adiciono CBCA es más lenta puesto
que aun no llegan a la resistencia del proporcionamiento calculado.
82
c) Prueba de compresión simple a concreto a la edad de 60 días.
La tabla 3.6Muestra los resultados de la prueba a compresión simple que se le fue
realizada a los concretos a la edad de 60 días. En esta fase de la prueba se
observa que los concretos A (100AF) y B (95AF/5CBCA) muestran resistencias
que superiores que la de la mezcla de diseño.
Tabla 3.6. Prueba de compresión a concretos a la edad de 60 días.
Mezcla de
concreto
No de
probeta
60 Días de elaboración del concreto
A
1
335.003
100 % AF
2
379.142
sin CBCA
3
376.878
4
392.723
B
1
226.354
95% AF
2
226.354
5% CBCA
3
244.462
4
242.198
C
1
220.144
90% AF
2
233.144
10% CBCA
3
219.563
4
213.904
f’c en kg/cm2
Promedio de f’c
*f’c en %
370.937 kg/cm2
100%
334.842 kg/cm2
90.27%
221.689 kg/cm2
59.68%
* La f’c en %, se encuentra con respecto a la muestra control.
La probeta control A (100AF)
muestra una resistencia promedio de 370.937
2
kg/cm , en tanto la B (95AF/5CBCA) registró una resistencia de 334.842 kg/cm2,
teniendo una diferencia de 36.095 kg/cm2 (9.73%) conforme a la probeta control y
la probeta C (90AF/10CBCA) obtuvo 221.689 kg/cm2 de resistencia
promedio
disminuyendo 149.248 kg/cm2 (40.32%).
83
En la la Gráfica 3.1 se muestra el comportamiento que fueron presentando las
diferentes mezclas en base a la prueba de resistencia simple conforme fue
madurando el concreto.
Tabla 3.7 Resistencias a la compresión a diferentes edades, en kg/cm2.
Mezcla de
concreto
No de
espécimen
A
100 % AF
B
Días de elaboración del concreto
14
28
60
1
225.221
263.702
335.003
2
305.580
344.057
379.142
3
319.160
323.685
376.878
4
-
-
392.723
1
215.036
192.401
226.354
2
189.005
203.718
226.354
3
178.819
216.168
2440.462
4
-
-
242.198
1
164.897
175.424
220.144
2
170.897
170.897
233.144
3
160.711
203.718
219.563
4
-
-
213.904
95% AF
5% CBCA
C
90% AF
10% CBCA
84
Gráfica3.1. Resultados de la prueba a compresión
3.4. MÉTODO DE PRUEBA DE PERMEABILIDAD PARA EL
CONCRETO
3.4.1. ENSAYO DE ABSORCIÓN CAPILAR
Ensayo a concretos a la edad de 14 días
1) Concreto tipo A(AF)
Esta prueba se llevo a cabo de acuerdo a lo fundamentado en la norma cubana
NC345:2005 (Determinación de la absorción de agua por capilaridad)
Esta Norma Cubana establece un método para determinar la absorción de agua por
capilaridad en concretos endurecidos mediante el método de ensayo propuesto por
Gôran Fagerlund. El cual describe la cinética de la absorción capilar de morteros y
concretos a través de tres coeficientes. Es de utilidad para establecer los requisitos de
durabilidad en el diseño de los concretos y para el chequeo de la capilaridad en los
85
concretos endurecidos. En la Tabla 3.8 se describe un ejemplo de la toma de datos en
la prueba de capilaridad.
Tabla 3.8. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto control a edad de 14 días
Nomenclatura de las variables de las tablas del ensayo de absorción capilar
Wo: Peso inicial de la muestra.
W: Peso de la muestra a intervalos propuestos por la norma (NC345:2005).
A: es el área de succión del espécimen expresada en m2.
t: tiempos de los intervalos de peso de la muestra.
m: Resistencia a la penetración del agua
K: Coeficiente de absorción capilar
ξe: Porosidad efectiva.
S: Absorción capilar
Grafica de la curva típica de absorción capilar
Con los pesos obtenidos a las diferentes edades indicadas se obtiene una curva
similar a la Figura 1, si el eje del tiempo está en escala de raíz cuadrada, el punto
86
crítico entre los estados 1 y 2 corresponde al punto cuando el frente de agua ha
avanzado hasta alcanzar la parte superior y se considere el valor final de los
resultados. Por lo que el estado 1 corresponde al Ilenado de agua de todos los poros
de gel inicialmente vacíos y los otros poros capilares mientras que el estado 2
corresponde al Ilenado gradual de los poros inertes o vacios de aire por un proceso de
disolución-difusión de aire. Solo interesa el estado 1, pues el estado 2 es de interés en
relación a la resistencia a la congelación.
Figura 3.1.-Curva típica de absorción de agua por el ensayo de capilaridad
Teóricamente si el espécimen actuó como un poro capilar simple, el paso del estado 1
al 2 deberá ser abrupto, pero en realidad es una transición suavizada. La razón es que
los materiales heterogéneos (en este caso el hormigón) tienen una distribución de
tamaño de poros diferentes que conducen a diferentes porcentajes de penetración por
diferentes caminos. Por lo anterior se definirá el Punto Critico como la Intersección de
dos líneas extrapolares.
87
Grafica 3.1. La curva típica de la absorción capilar de concreto tipo A(AF)) a edad de 14
días
Formulas y cálculo de los coeficientes m, k y ξe
a) Resistencia a la penetración del agua (m)
m = tn/z2
Donde:
tn= es el tiempo en el punto crítico (obtenido del grafico), expresado en s.
z= es la altura o espesor total del espécimen, expresada en m.
b) Coeficiente de absorción capilar (k)
88
K= ((wt – wo)/ (A)/√t
Donde:
Wo= es el peso del espécimen al inicio expresado en kg.
Wt= es el peso del espécimen en el punto crítico expresado en kg.
t= es el tiempo en el punto crítico (obtenido del grafico) expresado en s.
A es el área de succión del espécimen expresada en m2.
kg/m2s1/2
c) Porosidad efectiva(ξe)
(ξe) = (k √m)/1000
Donde:
K= Coeficiente de absorción capilar
M= Resistencia a la penetración del agua.
2) Concreto tipo B(95AF/5CBCA)
89
Tabla 3.9. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 5% de CBCA a edad de 14
días
Grafica 3.2. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo B (95AF/5CBCA) a edad
de 14 días
3) Concreto tipo C(90AF/10CBCA)
90
Tabla 3.10. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 10% de CBCA a edad de
14 días
Grafica 3.3. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo C (90AF/10CBCA) a edad
de 14 días
Ensayo a concretos a la edad de 28 días
1) Concreto tipo a(AF)
91
Tabla 3.11. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 0% de CBCA a edad de
28 días
Grafica.3.4. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo A (AF) a edad de 28 días
2) Concreto tipo B(95AF/5CBCA)
92
Tabla 3.12. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 5% de CBCA a edad de
28 días
Grafica 3.5. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo B(95AF/5CBCA) a edad de 28 días
3) Concreto tipo C(90AF/10CBCA)
93
Tabla3.12. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 10% de CBCA a edad de
28 días
Grafica 3.6. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo C(90AF/10CBCA) a edad
de 28 días
Ensayo a concretos a la edad de 60 días
1) Concreto tipo a(AF)
94
Tabla 3.13. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 0% de CBCA a edad de
60 días
Grafica 3.7. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo A (AF) a edad de 60 días
2) Concreto tipo B(95AF/5CBCA)
95
Tabla 3.14. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 5% de CBCA a edad de 60 días
Grafica 3.8. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo B(95AF/5CBCA) a edad de
60 días
3) Concreto tipo C(90AF/10CBCA)
96
Tabla 3.15. Resultados de la prueba de capilaridad a concreto con 10% de CBCA a edad de
60 días
Grafica 3.9. Curva típica de la absorción capilar de concreto tipo C(90AF/10CBCA) a edad
de 60 días
97
Grafica 3.10. Resultados del coeficiente de absorción capilar (K) de las mezclas de
concreto analizadas a diferentes edades.
3.4.2.- Ensayo de absorción, densidad y de porosidad
Es la propiedad del concreto de poseer una baja permeabilidad a los fluidos; es
una condición necesaria para el buen desempeño y durabilidad de las estructuras;
es posible evaluar esta propiedad, bajo el criterio de la ASTM C 642, que nos
ayuda a determinar la densidad, el porcentaje de absorción y el porcentaje de
porosidad o vacíos en el concreto endurecido. La porosidad del concreto se
considera como los espacios vacíos que quedan en la masa del concreto a
consecuencia de la evaporación del agua excedente al mezclarse, y al aire
atrapado durante su fabricación.
Mezclas de concreto a la edad de 14 días.
98
Tabla 3.16. Pesos de las muestras para elaborar las pruebas de absorción, densidad y porosidad, a
concretos con edad de 14 días.
Tabla 3.17. Valores registrados de absorción, densidad y porosidad de los concretos con
edad de elaboración de 14 días.
Mezclas de concreto a la edad de 28 días.
Tabla 3. Pesos de las muestras para elaborar las pruebas de absorción, densidad y porosidad, a
concretos con edad de 28 días.
99
Tabla 3.19. Valores registrados de absorción, densidad y porosidad de los concretos con
edad de elaboración de 28 días.
Mezclas de concreto a la edad de 60 días.
Tabla 3.20. Pesos de las muestras para elaborar las pruebas de absorción, densidad y porosidad, a
concretos con edad de 60 días.
Tabla 3.214. Valores registrados de absorción, densidad y porosidad de los concretos con
edad de elaboración de 60 días.
3.4.2.1.-Grafica del ensayo de adsorción de agua (% de Absorción
total)
100
La absorción se define como la facilidad con la cual los líquidos o gases pueden
transportarse a través de un cuerpo (concreto). En la siguiente grafica se muestran
los resultados de absorción en su primera etapa, registrados de los concretos
estudiados. El concreto que manifiesta un mejor comportamiento en esta
propiedad es el A(100AF), el cual no se altero en sus componentes con ceniza, el
cual presento el menor porcentaje de absorción después de la inmersión, en las
tres edades de elaboración (14, 28 y 60 días). Mientras que el concreto que
registro un mayor porcentaje de absorción fue el C (90AF/10CBCA) en los tres
ensayos. Mostrando en el inicio de la prueba que agregándole ceniza de bagazo
de caña en sustitución del elemento de árido fino, la mezcla de concreto presenta
mayor porcentaje de absorción.
Grafica 3.11. De absorción después de la inmersión.
El ensayo de porosidad total (%), realizado a los concretos de la investigación se muestra
en la grafica que desde la edad más temprana (14 días) ala de 60 días, tomo el mismo
curso su evolución de las muestras, presentando mayor porcentaje de absorción el
concreto tipo C(90AF/10CBCA), B(95AF/5CBCA) y A(AF) respectivamente.
101
Grafica 3.12. De absorción total.
3.4.2.2.-Grafica del ensayo de densidad
En el ensayo de densidad en los concretos a la edad de 14 días de elaboración
manifiestan comportamientos diferentes, influyendo el reemplazo de ceniza de
gabazo de caña de azúcar (CBCA), así como la cantidad de sustitución (5% y
10%). El concreto de la mezcla A (100AF), presento una densidad de 2.31 kg/dm 3,
mientras que el concreto tipo B(95AF/5CBCA) y el de tipo C(90AF/95CBCA) de
2.24 kg/dm3 y .1.99 kg/dm3 respectivamente. En la grafica 17, también se
muestran los valores registrados densidad de los concretos los mismos concretos
a los 28 y 60 días de elaboración.
102
Grafica3.13. Valores de densidad de los concretos con diferente porcentaje de residuo
agroindustrial (CBCA).
3.4.2.3.-Grafica de ensayo de porosidad (porosidad total)
Grafica 3.14.De volumen permeable de poros.
103
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se pueden incidir una cantidad de innumerables conclusiones sobre ésta
investigación de tesis. Sin embargo lo que al constructor básicamente le interesa
si el material agroindustrial de desperdicio al adicionarlo a la elaboración del
concreto, fue capaz de igualar o mejorar las propiedades que brinda el concreto
hecho con arena, siendo ésta el agregado fino que normalmente se utiliza.
Para poder obtener una resolución sobre éste dilema es preciso comparar los
resultados que arrojaron con el material (CBCA) y compararlos con los datos
estándar que obtuvimos con el concreto con el 100% la arena. A grandes rasgos,
el que se acerque lo mayor y mejor posible a nuestra muestra control, es el que al
final determinaremos como mejor, de los diferentes porcentajes de CBCA que se
utilizaron.
Posteriormente se le realizaron una serie de pruebas a las diferentes mezclas de
concreto para determinar si es factible considerar el hecho de que se ha creado un
nuevo concreto ecológico elaborado a base de desperdicio industrial.
Para llevar a cabo esta investigación se elaboraron tres tipos de concretos,
A(100AF), este concreto se realizo para tomarlo como referencia de acurdo con la
evolución de los otros concretos modificados de manera porcentual en sustitución
del agregado fino (arena), B(95AF/5CBCA) tipo de concreto que cuenta con el 95
% de componente de agregado fino y 5% en sustitución de CBCA y el
C(90AF/10CBCA) él tiene un remplazo de 10% de su peso de arena por CBCA.
Para generar un criterio de su comportamiento de los concretos experimentales,
esto se sometieron a un conjunto de ensayos estándar para registrar sus
propiedades físicas y mecánicas. Las pruebas realizadas fueron la de resistencia a
la compresión, densidad, absorción, porosidad y capilaridad.
104
CONCLUSIONES
Con respecto a los ensayos de resistencia mecánica, se encontró que la
sustitución parcial de CBCA por agregado fino, no fue benéfica, ya que los
concretos con el 5 y 10% de CBCA alcanzaron resistencias menores con
respecto a un concreto convencional. Sin embargo, el concreto con un 5%
de CBCA a los 60 días desarrolló una resistencia casi a la de diseño (335
kg/cm2).
En tanto al ensayo de densidad aparente normada por la ASTM C642, se
encontró que esta es inversamente proporcional a la cantidad sustituida por
ceniza de bagazo de caña de azúcar.
Teniendo en cuenta la porosidad total, los concretos con CBCA, presentan
resultados muy parecidos a los del concreto convencional, aunque
inferiores.
Sin embargo en el ensaye y análisis del coeficiente de porosidad efectiva
(K), se encontró que a los 60 días este factor es casi indistinto para la
cantidad de sustitución de CBCA. Mostrándose inferior en el concreto con el
5% de ceniza.
RECOMENDACIONES
Es importante tener en cuenta la evaluación de este tipo de materiales de
otros ingenios del estado.
Desarrollar análisis de durabilidad de este tipo de concretos.
Motivar el estudio de los materiales alternativos en otros sistemas
constructivos.
105
Referencias Bibliográficas
[1].- (a) Enrique Rivva López “Naturaleza y materiales del concreto”. II Congreso
internacional del a construcción y expocon 2004.
(b) Ing. Alejandro Sandino Pardo “Hormigón”. Universidad Nacional de Colombia,
Facultad de Ingeniería.
(c) Ing. Civil César Jesús Díaz Coronel. “Naturaleza del concreto” Facultad de
ingeniería Civil del Sistemas y Arquitectura. Universidad nacional Pedro Ruiz
Gallo.
(d) http://ingenet.com.mx/noticias/?p=213
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Tecnología y propiedades del concreto
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