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Coeficiente volumétrico del agregado: Modificaciones al comportamiento del concreto Ingeniero Irán Ariza Simon |
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Hoy día la tecnología del concreto requiere agregados pétreos mucho más elaborados que antes. Un conocimiento mayor de las características de éstos implica establecer métodos y procedimientos para determinar cada una de las características físicas, químicas y mecánicas que se buscan para la obtención de un mejor comportamiento del concreto como producto final. En nuestro medio de la construcción –y sobre todo cuando se trata de obras de gran magnitud– ha cobrado mayor importancia últimamente el concepto de coeficiente volumétrico. Con la intención de contribuir a la elaboración de un método de prueba debidamente establecido como norma mexicana para la determinación del coeficiente volumétrico, este estudio tiene como objetivo principal comparar el coeficiente volumétrico calculado conforme lo que indica el Anteproyecto de Norma Mexicana NMX-C-S/N-1991 con el coeficiente volumétrico obtenido a partir de algunas consideraciones propuestas. Efectos del proceso de trituración y origen de la grava en el coeficiente volumétrico Entre las características externas importantes de los agregados se incluyen su forma y su textura superficial. Dependiendo de su grado y redondez, se los puede clasificar en bien redondeados, redondeados, subredondeados, angulares y subangulares. Las gravas producto de trituración, sin importar el origen de la roca, pueden pertenecer al grupo de angular a subangular: aun cuando toda roca triturada presenta partículas planas y elongadas. Por otra parte, considerando la referencia de un cubo, las tres dimensiones que lo conforman –largo, ancho y espesor– así como la variación entre los mismos, darán como consecuencia los tres tipos de forma geométrica de cualquier partícula (figura 1), esto es:
En el caso del concreto hidráulico, la presencia de cantidades excesivas de partículas planas o elongadas puede dar lugar a una mezcla poco trabajable, difícil de mezclar y de colocar. Esto se debe a que por su forma son partículas débiles, con mucha tendencia a fracturarse. En términos generales, la tendencia de buscar que la forma de las partículas sea lo más parecido a un cubo o una esfera es lograr concretos más manejables, con menores contracciones. El proceso de trituración y origen de la grava Las partículas con formas no equidimensionales tienden a darse cuando hay planos de intemperismo en la roca de origen. Esto puede incluir planos de estratificación en rocas sedimentarias, y foliación y lineación en rocas metamórficas. Se ha visto que el tipo de maquinaria utilizada en las operaciones de trituración también influye en la forma de la partícula. Las máquinas más utilizadas en la explotación de partículas para la producción del concreto y otros usos emplean los métodos mecánicos de reducción por compresión, impacto, desgaste y corte. Dos de los conceptos que definen el comportamiento de las diferentes trituradoras son: a) Índice de reducción. Se define como la relación entre el tamaño D del fragmento de roca a la entrada de la trituradora con el tamaño d del producto de la trituración a la salida (figura 2). b) Coeficiente de forma. Dado un fragmento de roca cuya dimensión mayor sea representada por L y sea v el volumen de dicho fragmento, y V el volumen de la esfera cuyo diámetro sea L (figura 3), se define el coeficiente volumétrico de dicho fragmento como la relación: CV = v/V La operación de trituración se basa en impartir al material que se va a triturar tensiones superiores a su límite elástico que lleguen a provocar su fractura. Las máquinas empleadas para lograr este objetivo pueden ser clasificadas de la siguiente manera:
Existen trituradoras que combinan ambos principios. Trituración por compresión En lo que al coeficiente volumétrico se refiere, cuando las trituradoras que funcionan por compresión han de triturar materiales de origen sedimentario o estratificado (calizas), el producto triturado tiende a salir en forma de losas que, aun cuando su espesor está limitado por la abertura de salida, las otras dos dimensiones, ancho y largo, no tienen limitación práctica alguna. Este tipo de trituradoras jamás puede proporcionar partículas que se aproximen a la forma cúbica ideal para la obtención de toda clase de agregados (figura 4). Este tipo de trituradoras por compresión presenta poco desgaste y su empleo se ve favorecido cuando se trabaja con rocas hipogénicas que no son exfoliables y que normalmente son muy abrasivas. Trituración por impacto En la trituración por impacto, la fragmentación de la piedra se produce por el rápido golpe impartido por los elementos móviles sobre la misma. Su forma de trabajo produce un alto porcentaje de finos. La turbulencia que se produce en la cámara de trituración de las trituradoras de impacto da lugar a violentos choques entre las piedras y ayuda a eliminar aristas agudas y zonas débiles del producto triturado (figura 5). En este tipo de trituradoras existe poca posibilidad de dejar pasar losas en materiales muy estratificados, así como de dar una forma cúbica ideal al producto triturado. En resumen, el valor del coeficiente volumétrico va a depender de las características de la trituración y del material que va a ser triturado, de su resistencia a la trituración, su naturaleza abrasiva o no abrasiva y si es de consistencia granular o laminada. Lo anterior, sin otra pretensión que la enunciativa, se puede expresar cualitativamente en el siguiente cuadro: Cuadro 1 Tipo de trituradora Índice de reducción Coeficiente volumétrico Por compresión Bajo Bajo: muchas lajas Por impacto Muy alto Muy bueno Métodos de prueba para determinar la forma de la partícula del agregado grueso: antecedentes Actualmente existen en la normatividad internacional procedimientos para la determinación directa o indirecta de la forma de la partícula del agregado grueso. Norma británica B.S. 812 Método para Muestreo y Pruebas de Agregados Minerales, Arenas y Rellenos. Determinación del Coeficiente de Angulosidad La angulosidad o ausencia de redondeo de las partículas de un agregado es una propiedad importante debido a su efecto en la facilidad de manejo de la mezcla del agregado y el aglutinante, y esto es la trabajabilidad del concreto, o la estabilidad de las mezclas que depende de la liga entre partículas. Se trata de un método de laboratorio que pretende comparar las propiedades de diferentes agregados para propósitos de diseño de la mezcla. La prueba de Coeficiente de angulosidad se realiza como una medida de la angulosidad relativa que se basa en el porcentaje de vacíos en el agregado después de compactar en la forma indicada en esta norma. Debido a que se emplea un esfuerzo de compactación mayor que en las prueba de densidad de la masa y vacíos, los resultados de las dos pruebas son diferentes. Asimismo, los agregados más débiles pueden ser triturados durante la compactación, por lo que esta prueba no se aplica a los agregados que pueden romperse durante la misma. En resumen, la prueba consiste en lo siguiente: Con un cucharón se procede a llenar con el agregado en condición de seco un cilindro metálico de aproximadamente 3 l de capacidad cerrado en un extremo. El llenado se hace hasta que rebasa el cilindro. El agregado del cilindro se compacta con cien golpes –dos golpes por segundo–, con una varilla para compactar que tiene un extremo hemisférico. Los golpes se distribuyen en toda la superficie del cilindro y se aplican manteniendo la varilla en posición vertical, con su extremo hemisférico a 5 cm sobre la superficie del agregados y soltándola para que caiga libremente. El proceso de llenado y compactado se repite con una segunda y tercera capa de agregado; la tercera capa deberá contener únicamente la cantidad de agregado suficiente para llenar el nivel del cilindro hasta su borde superior, antes de compactar. Compactada la tercera etapa, el cilindro se llena hasta que sobrepase y se enrasa en la parte superior utilizando la varilla para compactar. Deberán adicionarse partículas individuales del agregado; se procede a pesar (W). El cilindro utilizado se calibra determinando el peso del agua requerido para llenarlo. Peso (C). El cálculo del Coeficiente de angulosidad se hace mediante la siguiente fórmula: Coeficiente de angulosidad = 67-(100*W) / CGA Donde: W = Peso medio del agregado en el cilindro (g) C = Peso del agua requerida para llenar el cilindro (g) GA = Gravedad específica del agregado determinada en laboratorio Norma francesa AFNOR Definición de la forma de las gravas según la norma P 18301 Para caracterizar la forma del agregado, la AFNOR ha definido un coeficiente volumétrico igual a la relación entre el volumen V del agregado, expresado en mm3 y el volumen de la esfera de diámetro N en milímetros, siendo N la mayor dimensión diametral de dicho elemento. C = V / (p *N3 / 6) Prácticamente se efectúa esta medición de un conjunto de granos, tomándose una muestra de 200 g para las gravillas. En este caso: C = S V / (S p *N3 / 6) Los coeficientes volumétricos mínimos para gravas prescritos en esta norma son:
Anteproyecto de norma mexicana NMX-C-S / N-1991 Coeficiente Volumétrico (de forma) en Agregado Grueso - Método de Prueba Este anteproyecto de norma mexicana "establece el método de prueba para determinar, bajo condiciones normalizadas, el coeficiente volumétrico del agregado grueso que se retenga en la criba de 4.75 mm (núm.4), también conocido como factor de forma o coeficiente de forma" Se define como coeficiente volumétrico "la relación que existe entre la suma de los volúmenes de las partículas representativas del agregado grueso que componen una muestra y la suma de los volúmenes de las esferas que circunscriben a cada partícula de dicha muestra". El procedimiento de prueba consiste en: "Obtener una muestra representativa del material, lo suficientemente grande para seleccionar por lo menos 50 partículas de agregado grueso que componen la muestra. Extender la muestra en la charola y seleccionar al azar 50 partículas de agregado grueso como mínimo, de diferentes tamaños, pero representativa de la granulometría del material." "Medir con el vernier la longitud mayor de cada partícula seleccionada, la cual se denomina di, en donde, en donde i = l,... n siendo n = número de partículas seleccionadas." Determinar con el picnómetro y la probeta el volumen de agua desalojada que corresponde al de las partículas seleccionadas, la cual se denomina Vp (volumen real). "Calcular el volumen teórico de la esfera que circunscribe a cada una de las partículas seleccionadas, mediante la siguiente expresión: Vi = p (di)3 / 6 En donde: Vi: Volumen teórico de la esfera que circunscribe a cada partícula seleccionada (i = l, ..., n). p = 3.1415927 di = Longitud mayor de cada partícula seleccionada (i = l, ..., n). "Obtener la sumatoria de los volúmenes de las esferas individuales, correspondientes a cada partícula seleccionada, con la siguiente expresión: n Ve = S Vi i = l En donde: Ve = Suma de los volúmenes de todas las esferas que circunscriben a cada partícula seleccionada." "Calcular el coeficiente volumétrico del agregado grueso con la siguiente expresión: CV = (Volumen real Vp / Volumen teórico Ve) Determinación experimental del coeficiente volumétrico Situación actual El valor del coeficiente volumétrico de la grava y su cumplimiento han sido establecidos en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto; del Reglamento de Construcciones del Departamento del Distrito Federal en el año 1987 en su inciso 11.3.1. Materiales componentes. "La calidad y proporciones de los materiales componentes del concreto serán tales que logren la resistencia, deformabilidad y durabilidad necesarias"... "Los materiales pétreos, gravas y arenas, deberán cumplir con los requisitos de la norma NMX-C-111, con las modificaciones y adiciones indicadas a continuación. Propiedad Concreto clase 1 Coeficiente volumétrico de la grava, mín. 0.20 Así también, en el anteproyecto de Norma Mexicana NMX-C-S-1994 "Concreto hidráulico para uso estructural"; en su inciso 5.1.2. Especificaciones (para agregados), donde indica en iguales términos que en el RDDF: "Además de los requisitos especificados en la norma NMX-C-111, el agregado grueso empleado en la fabricación de concreto debe tener un coeficiente volumétrico igual o mayor que 0.20." Lo anterior fue como consecuencia de una mayor exigencia técnica, propiciada por los desastres ya conocidos en el año 1985. Discusión Si bien es cierto que en la actualidad es marcada la tendencia de exigir cada vez más el cumplimiento del valor del coeficiente volumétrico en aquellas gravas que serán utilizadas en la fabricación del concreto para uso estructural, también es cierto que a la fecha no existe un método de prueba debidamente establecido como norma mexicana; los esfuerzos únicamente se han concretado en un Anteproyecto de Norma Mexicana - NMX-C-S/N-1991 "Industria de la Construcción - Agregados de Concreto - Coeficiente Volumétrico (de Forma) en Agregado Grueso - Método de Prueba"; la cual, en mi consideración, expresa en forma subjetiva algunos de sus puntos indicados en su procedimiento; a saber: En el punto 5, inciso 5.1, que dice: "Tomar el material para esta prueba de acuerdo con la NMX-C-30 y reducir por cuarteo de acuerdo a la NMX-C-179 [ ...] hasta obtener una muestra representativa del material, lo suficientemente grande para seleccionar por lo menos 50 partículas de agregado grueso de los tamaños que componen la muestra". Con la finalidad de reducir al mínimo los errores de interpretación, sería conveniente que para la selección de la muestra representativa del material se tomara como referencia la tabla núm. 1, p. 3 / 5 de la NMX-C-77 Análisis Granulométrico - Método de Prueba, en la que se indica la masa mínima de la muestra seca, de acuerdo con el Tamaño Nominal Máximo; interpetándose como muestra representativa. En el punto 5, inciso 5.2, que dice: "Extender la muestra (representativa) en la charola y seleccionar al azar 50 partículas de agregado grueso como mínimo, de diferentes tamaños, pero representativa de la granulometría del material." Extender en una charola la muestra representativa implicaría, según el criterio adoptado en la NMX-C-77, seleccionar como mínimo 50 partículas de entre aproximadamente (porque depende del origen del agregado), 3,500 partículas; lo que hace poco probable que la selección al azar resulte verdaderamente representativa del material. Lo anterior da lugar a los siguientes interrogantes:
Si consideramos que cualquier muestra representativa de un agregado está formada por la sucesión ascendente o descendente, como se la quiera ver, de varios tamaños; cuantitativamente...
Para dar respuesta a lo anterior se diseñó el estudio de investigación que se expone a continuación. Estudio experimental Diseño del estudio Para el presente estudio se consideran dos gravas de origen calizo, con un tamaño máximo nominal de 19 mm, provenientes de diferentes minas localizadas en el estado de Hidalgo; seleccionándose este tipo de material por su empleo generalizado para la producción de concreto premezclado en su clase 1. Se determinará para cada una de las gravas el valor del coeficiente volumétrico, de acuerdo con tres criterios en la selección de la cantidad de partículas: Criterio 1. Se determinará el coeficiente volumétrico según lo indicado en el Anteproyecto de Norma Mexicana NMX-C-S/N-1991. Criterio 2. El valor del coeficiente volumétrico se calculará en relación con los porcentajes retenidos en cada criba obtenidos del análisis granulométrico; tomando como base 500 partículas de la muestra total. Criterio 3. El valor del coeficiente volumétrico se obtendrá a partir de la medición de un número fijo de partículas para cada tamaño; 182 partículas para la grava núm. 1 en cada tamaño, haciendo una muestra total de 910 partículas. Y para la grava núm. 2, 160 partículas por cada tamaño, haciendo una muestra total de 800 partículas. Consideraciones En el Anteproyecto de Norma se establece que la muestra en estudio será aquella que se entrega en la criba 4.75 (núm. 4); se decidió considerar también lo retenido en la criba 2.36 (núm. 8). De acuerdo con la NMX-C-111 (DE 20 A 5) y / o ASTM-C-33 (núm.67); en las cribas que intervienen para la evaluación de su granulometría no se presenta la criba 12.5 (½ "); sin embargo, se consideró importante incluirla. Presentación En el siguiente informe se indican los resultados obtenidos del estudio de investigación del comportamiento en el cálculo del coeficiente volumétrico de acuerdo con los varios criterios de selección de la muestra en estudio. Equipo utilizado El equipo consistió en un picnómetro de sifón, probetas de vidrio, un calibrador tipo vernier con aproximación a 0.01 mm, agitador mecánico con cribas para granulometría y equipo complementario. Determinación del coeficiente volumétrico de la grava de Gravasa-Apaxco Aplicación del criterio número 1 NMX-C-S/N-1991) Con el objeto de ilustrar la variación que puede existir en el cálculo del coeficiente volumétrico, se realizó en tres ocasiones la determinación de éste, conforme lo indica el Anteproyecto de Norma Mexicana; la selección de las partículas, así como la realización de la prueba, estuvo a cargo de un solo operador. La variación entre los valores del coeficiente volumétrico se consideró propia del método de prueba (selección al azar de las partículas). El promedio del coeficiente volumétrico obtenido de estas pruebas se puede considerar muy bueno (CV = 0.27). Aplicación del criterio número 2 (porcentaje retenido) Se seleccionaron 500 partículas para la determinación del coeficiente volumétrico. En cada uno de los tamaños, el número de partículas de cada tamaño va a estar en función del porcentaje retenido calculado en la prueba de granulometría. El valor del coeficiente volumétrico disminuye a medida que disminuye el tamaño de las partículas; sin embargo, como se puede observar, el coeficiente volumétrico de los retenidos en las mallas núm. 4 y núm. 8 presentan un coeficiente volumétrico de 0.17 y o.16 respectivamente; por lo que valdría la pena considerar, en el método de prueba de la NMX-C-S/N las partículas retenidas en la malla núm. 8. El coeficiente volumétrico de la muestra total de 500 partículas es 0.23. Aplicación del criterio número 3 (160 partículas) Se calculó el coeficiente volumétrico de cada tamaño de partículas retenido, para lo cual se midieron 160 partículas de cada tamaño. El valor del coeficiente volumétrico calculado a partir de un número fijo de partículas por cada tamaño se comporta aproximadamente igual al criterio núm. 2, en donde el coeficiente volumétrico es calculado con un número de partículas en función de los porcentajes retenidos de acuerdo con la granulometría. El valor del coeficiente volumétrico de la muestra total compuesta por 160 partículas de cada uno de los tamaños retenidos, que hacen un total de 800 partículas es de 0.25. El comportamiento se puede apreciar más claramente en las figuras 10 y 11. Resumen En el cuadro 7 y la figura 12, se observa que existe una diferencia de 17% entre el valor del coeficiente más bajo, obtenido por el criterio núm. 2 (número de partículas en función de los porcentajes retenidos de acuerdo con la prueba de granulometría) y el valor del coeficiente volumétrico obtenido por el criterio núm. 1 (calculado de acuerdo con lo que indica el Anteproyecto de la Norma Mexicana). Determinación del coeficiente volumétrico de la grava de Adosa-La Palma Aplicación del criterio número 1 (NMX-C-S/N-1991) El cálculo del coeficiente volumétrico se realizó en tres ocasiones, conforme lo indica el Anteproyecto de la Norma Mexicana; la selección de las partículas, así como la realización de la prueba, estuvo a cargo de un solo operador. La variación entre los tres valores del coeficiente volumétrico se considerará propia del método de prueba (selección al azar de las partículas). El promedio del coeficiente volumétrico obtenido de estas tres pruebas se puede considerar bueno (CV = 0.22). Como se puede observar, este valor de coeficiente volumétrico es menor que el obtenido en la hrava de Gravasa-Apaxco. Aplicación del criterio número 2 (porcentajes retenidos) Se seleccionaron 500 partículas para la determinación del coeficiente volumétrico; así también se determinó el coeficiente volumétrico de las partículas retenidas en cada malla; el número de partículas de cada tamaño va a estar en función del porcentaje retenido calculado en la prueba de granulometría. El valor del coeficiente volumétrico disminuye a medida que disminuye el tamaño de las partículas; sin embargo, como se puede observar, el coeficiente volumétrico de los retenidos en las mallas núm. 4 y núm. 8 presentan un coeficiente volumétrico de 0.13. El coeficiente volumétrico de la muestra total de 500 partículas es 0.19, menor que el obtenido en la grava de Gravasa-Apaxco. Aplicación del criterio número 3 (182 partículas) Se calculó el coeficiente volumétrico de cada tamaño de partículas retenido, para lo cual se midieron 182 partículas por cada tamaño. El valor del coeficiente volumétrico calculado a partir de un número fijo de partículas por cada tamaño se comporta aproximadamente igual que el criterio núm. 2, en donde el coeficiente volumétrico es calculado con un número de partículas en función de los porcentajes retenidos de acuerdo con la granulometría. El valor del coeficiente volumétrico de la muestra total compuesta por 182 partículas de cada uno de los tamaños retenidos, que hacen un total de 910 partículas, es de 0.21. El comportamiento se puede apreciar más claramente en las figuras 14 y 15. Resumen En el cuadro 10 y la figura 15 se observa que existe una diferencia de 16 por ciento entre el valor del coeficiente volumétrico más bajo, obtenido por el criterio núm. 2 (número de partículas en función de los porcentajes retenidos de acuerdo con la prueba de granulometría) y el valor del coeficiente volumétrico obtenido por el criterio núm. 1, (calculado de acuerdo con lo que indica el Anteproyecto de Norma Mexicana). En ambos casos, tanto para la grava de Gravasa-Apaxco como para la de Adosa-La Palma, existe una diferencia entre 16 o 27 por ciento respecto a los valores de coeficiente volumétrico calculados con el criterio núm. 1 con los calculados ya sea con el criterio núm. 2 o con el criterio núm. 3. Conclusiones y recomendaciones
Bibliografía Arredondo y Verdu, Francisco y José L. Núñez del Pino: Los áridos en la
construcción, Barcelona, Editorial Técnicos Asociados, 1967. (Pies de cuadros y figuras:) Figura 1. Forma de partícula:
equidimensional, plana y elongada.
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Resumen: La deficiencia en la calidad de los agregados empleados provoca la aparición de propiedades no deseables en el concreto: bajo módulo de elasticidad, altas deformaciones y elevados cambios volumétricos, todo lo cual da lugar al agrietamiento de las estructuras. De ahí la importancia del coeficiente volumétrico del agregado grueso, una característica física que modifica el comportamiento del concreto y afecta su maleabilidad. Este trabajo presenta los resultados de una comparación experimental entre el coeficiente volumétrico calculado de acuerdo con lo establecido por el Anteproyecto de Norma Mexicana NMX-C-S/N-1991 y los valores obtenidos según algunas consideraciones propuestas por el autor. |
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Instituto Mexicano
del Cemento y del Concreto, A.C. |
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