Tomo 1

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