diseo de mezclas
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DISEO DE MEZCLAS DE CONCRETO
INTRODUCCINProceso que consiste en la seleccin de los ingredientes disponibles (cemento, agregados, agua y aditivos) y la determinacin de sus cantidades relativas para producir, tan econmicamente como sea posible, concreto con el grado requerido de manejabilidad, que al endurecer a la velocidad adecuada adquiera las propiedades de resistencia, durabilidad, peso unitario, estabilidad de volumen y apariencia adecuadas.
INTRODUCCINEstas proporciones dependen de las propiedades y caractersticas de los ingredientes usados, de las propiedades particulares del concreto especificado y de las condiciones particulares bajo las cuales el concreto ser producido y colocado. Existen varios mtodos de diseo disponibles y todos dan aproximadamente las mismas proporciones: Mtodo ACI 211 Mtodo RNL
CONSIDERACIO NES BSICAS
ECONOMAEl costo de produccin del concreto est constituido por:Costo de los materiales (cemento, agregados, agua y aditivos) Mano de obra Equipos utilizados para su produccin Grado de control de calidad que se adelante en el sitio de produccin
ECONOMAEl arte de disear una mezcla de concreto econmicamente eficiente, esta en lograr una optimizacin adecuada de las proporciones de los materiales empleados, aprovechando sus propiedades y caractersticas para lograr los requisitos tcnicos especificados. es uno de los Debido a que el cementoconstituyentes ms costosos, uno de los objetivos del diseo de mezcla es minimizar su contenido (alto contenido de cemento aumenta probabilidadde contraccin y fisuramiento)
ECONOMAMinimizar la cantidad de cemento se consigue con: Usar el ms bajo asentamiento que permita una adecuada colocacinEmplear el ms grande y prctico tamao mximo del agregado ptima relacin de agregados gruesos y finos Usando aditivos adecuados
ECONOMAMANO DE OBRA Est estrechamente relacionado con la manejabilidad de la mezcla, debido a que las mezclas de consistencia seca requieren mayor energa de compactacin que las mezclas de consistencia hmeda.
ESPECIFICACIONESCada proyecto tiene requerimientos particulares que dependen del tipo de estructura, del clima, sistema constructivo, tiempo y costos de ejecucin, entre otros, que pueden abarcar una amplia gama de propiedades y caractersticas del concreto.
ESPECIFICACIONESMximo y/o mnimo asentamiento Tamao mximo y/o mximo nominal del agregado grueso Contenido mnimo de aire incluido, para dar adecuada durabilidad en ciertos climas Resistencia a la compresin mnima necesaria, por consideraciones estructurales Resistencia mnima de sobrediseo
Mxima relacin A/C y/o contenido mnimo de cemento
ESPECIFICACIONESMximo contenido de cemento, para evitar agrietamiento por exceso de temperatura en el concreto masivo Mximo contenido de cemento, para evitar agrietamiento por contraccin en condiciones de baja humedad Tipos especiales de cemento y agregados Peso unitario mnimo (estructuras pesadas)
Uso de aditivos
TECNOLOGA EXISTENTEOtro aspecto que debe ser considerado por el diseador de la mezcla, es la tecnologa existente en el sitio de obra para producir el concreto debido a que hay diferentes sistemas de dosificacin, mezclado, transporte, colocacin y curado que tienen influencia sobre las propiedades del concreto.
TECNOLOGA EXISTENTELa dosificacin del cemento y los agregados siempre debe hacerse en peso (partculas slidas que pueden tener alto volumen de vacios). La dosificacin del agua y los aditivos lquidos son medidas con precisin con base en el volumen. El diseo siempre se estipula en peso seco de cada material y la dosificacin en peso seco para el cemento y en peso hmedo de cada agregado, por metro cbico de concreto.
TECNOLOGA EXISTENTELos agregados son comercializados por volumen suelto, pero se dosifican por peso, por lo tanto se debe hacer la conversin correspondiente, usando las masas unitarias sueltas de cada material.
INFORMACIN REQUERIDA DE LOS MATERIALES
PROPIEDADES DEL CEMENTOPeso especficoSuperficie especfica Tiempos de fraguado Expansin al autoclave Resistencia a la compresin a 1, 3, 7, 14, 28 y 56 o 90 das de edad. Composicin qumica
CALIDAD DEL AGUA
PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS Origen y propiedades petrogrficas ymineralgicas Anlisis granulomtrico
Forma y textura superficial de las partculas Peso especficoCapacidad de absorcin de agua
Masas unitariasContenido de finos y sustancias perjudiciales
CARACTERSTICAS DE LOS ADITIVOS Capacidad de reduccin de aguaEfecto sobre la manejabilidad, cohesin y plasticidad Efecto sobre la prdida de asentamiento Inclusin de aire Efecto sobre el calor de hidratacin Efecto sobre la exudacin del concreto Efectos sobre la contraccin, resistencia, durabilidad y otras propiedades del concreto
INFORMACIN ADICIONALRequerimiento del agua de mezclado en concretos producidos con los mismos materiales y condiciones similares Curva de correspondencia entre la resistencia del concreto y la relacin A/C para los materiales a usarse
PROCEDIMIEN TO DE DISEO
Factores bsicos en el proceso de diseo de una mezcla de concreto
PROCEDIMIENTO DE DISEO1. Seleccin del asentamiento 2. Seleccin del tamao mximo del agregado 3. Estimacin del contenido de aire 4. Estimacin del contenido de agua de mezclado 5. Determinacin de la resistencia de diseo 6. Seleccin de la relacin A/C 7. Clculo del contenido de cemento 8. Estimacin de las proporciones de los agregados 9. Ajuste por humedad de los agregados 10. Ajustes a las mezclas de prueba
SELECCIN DEL Para especificar la consistencia del concreto ASENTAMIENTOfresco se debe considerar: Forma y tamao de la seccin que se va a construir Cantidad y espaciamiento del acero de refuerzo Condiciones de colocacin (bombeo, bandas transportadoras, tubo-embudo Treime, entre otros). Condiciones de compactacin (manual o mecnica)
Asentamientos recomendados para diversos tipos de construccin y sistemas de colocacin y compactacin (uso de vibrador, si es manual deben aumentarse
SELECCIN DEL TAMAO MXIMO DEL AGREGADODebido a que agregados bien gradados y con mayor tamao mximo tienen menos vacios y menor rea superficial que los de menor tamao mximo, los contenidos de agua y cemento dependen del tamao mximo del agregado. El tamao mximo deber ser el mayor econmicamente disponible y compatible con las dimensiones de la estructura.
SELECCIN DEL TAMAO MXIMO DEL AGREGADODepende de: Caractersticas geomtricas Distribucin del acero de refuerzo Aspectos relacionados con la produccin, transporte y colocacin
TAMAO MXIMO DEL AGREGADO CARACTERSTICAS GEOMTRICAS YREFUERZO: El tamao mximo nominal del agregado grueso no debe exceder (C.3.3.2 NSR10): 1/5 de la menor separacin entre los lados de la formaleta 1/3 de la altura de la losa 3/4 del espaciamiento mnimo libre entre las barras de refuerzo, paquetes de barras, tendones individuales, paquetes de tendones o ductos.
Recomendaciones de tamaos mximos de agregados segn tipo de construccin
TAMAO MXIMO DEL AGREGADO PRODUCCIN:Algunos tipos de mezcladoras pueden revolver y descargar concretos con tamao mximo de agregado de hasta 6 (152mm) Algunas mezcladoras estn diseadas para revolver concretos con tamaos mximos de agregados de 1 (38.1mm)
TAMAO MXIMO DEL AGREGADO COLOCACIN:Concreto bombeado: el tamao mximo del agregado grueso corresponde a del dimetro de la tubera, para evitar obstrucciones (Tuberas comerciales tienen entre 100mm y 150 mm de dimetro, as el tamao mximo es de (19mm) y 1 (38.1mm)) Bandas transportadoras: se puede incrementar el tamao del agregado al reducir la inclinacin de la banda (tamaos de 4 (101.6mm).
ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AIRE
Cantidad aproximada de aire esperado en el concreto sin aire incluido y niveles de aire incluido para diferentes tamaos mximos de agregados (ACI211)
ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AGUA DE MEZCLADO
Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaos mximos de agregado, con partculas de forma redondeada y textura lisa, en concreto sin aire incluido
ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AGUA DE MEZCLADO
Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaos mximos de agregado, con partculas de forma angular y textura rugosa, en concreto sin aire incluido
ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AGUA DE MEZCLADO
Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaos mximos de agregado, con partculas de forma redondeada y textura lisa, en concreto con aire incluido
ESTIMACIN DEL CONTENIDO DE AGUA DE MEZCLADO
Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaos mximos de agregado, con partculas de forma angular y textura rugosa, en concreto con aire incluido
DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA DE DISEODe acuerdo con la NSR10, todo concreto debe disearse y producirse para asegurar una resistencia a la compresin promedio (fcr) lo suficientemente alta para minimizar la frecuencia de resultados de pruebas de la resistencia por debajo del valor de la resistencia a la compresin especificada del concreto (fc)
RESISTENCIA DE DISEODOSIFICACIN BASADA EN LA EXPERIENCIA EN OBRA O EN MEZCLAS DEplanta productora debe tener registros de La PRUEBA O EN AMBAS ensayos de menos de 12 meses de antigedad y debe calcularse una desviacin estndar ss de la muestra, con mnimo 30 datos. Los registros deben corresponder a procedimientos de control de calidad y materiales similares y la resistencia a la compresin debe estar en un rango de 7MPa de la especificada.
RESISTENCIA DE DISEODOSIFICACIN BASADA EN LA EXPERIENCIA EN OBRA O EN MEZCLAS DE PRUEBA O EN AMBASNmero de Factor de ensayos* modificacin 15 1.16 20 1.08 25 1.03 30 o ms 1.00 *Interpolar para valores intermedios
Factor de modificacin para ss cuando se dispone de menos de 30 ensayos
RESISTENCIA DE DISEO
Resistencia promedio a la compresin requerida cuando hay datos disponibles para calcular un desviacin estndar de la muestra
RESISTENCIA DE DISEO
Resistencia promedio a la compresin requerida cuando no hay datos disponibles para calcular un desviacin estndar de la muestra
SELECCIN RELACIN A/C
Correspondencia entre la resistencia a la compresin a los 28 das y A/C para cementos colombianos portland tipo 1, en concretos sin aire
SELECCIN RELACIN A/C
Correspondencia entre la resistencia a la compresin a los 28 das y A/C para cementos colombianos portland tipo 1, en concretos con aire
CLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTOA C A/ CC = contenido de cemento en kg/m3 A = requerimiento de agua de mezclado en kg/m3 A/C = relacin agua-cemento en peso
PROCEDIMIENTO DE DISEO1. Seleccin del asentamiento 2. Seleccin del tamao mximo del agregado 3. Estimacin del contenido de aire 4. Estimacin del contenido de agua de mezclado 5. Determinacin de la resistencia de diseo 6. Seleccin de la relacin A/C 7. Clculo del contenido de cemento 8. Estimacin de las proporciones de los agregados 9. Ajuste por humedad de los agregados 10. Ajustes a las mezclas de prueba
MTODO A.C.I
INTRODUCCINMtodo de diseo de mezclas norteamericano. Basado en agregados con buena granulometra. Las tablas usadas estn basadas en cementos norteamericanos. No tiene en cuenta directamente la granulometra solo el modulo de finura de la arena y el tamao mximo del agregado.
Tiene en cuenta si el concreto tiene o no aire incorporado.
0. Calcular la resistencia real de diseo 1. Determinar el asentamiento en cono de Abrams requerido por la obra especfica, y el empleo o no de aire incorporado. 2. De la tabla 1 establecer el contenido de agua necesario para alcanzar el asentamiento requerido. 3. Segn la resistencia requerida, en el caso de no primar las condiciones de durabilidad, establecer la relacin A/C para alcanzarla, segn la tabla 2. 4. Calcular el contenido de cemento, basado en el contenido de agua y la relacin A/C (Pasos 2 y 3) 5. Determinar el contenido de agregado grueso con la tabla 3 (en volumen de agregado grueso apisonado por metro cbico de concreto) basados en el mdulo de finura de la arena y el tamao mximo del agregado. Luego se determina el contenido en peso, empleando el peso unitario apisonado del agregado.
PROCEDIMIENTO
PROCEDIMIENTO6. Estimar el contenido de aire atrapado segn el tamao mximo del agregado y, en caso de ser empleado, el volumen de aire incorporado. 7. Calcular lo volmenes absolutos ocupados por el cemento, agua, aire y agregado grueso. Por diferencia con un metro cbico establecer el volumen ocupado por el agregado fino, luego empleando el peso especfico aparente, calcular el peso necesario de agregado fino. 8. Efectuar la correccin por humedad del agua de mezcla necesaria realmente, basados en la absorcin y contenido de humedad de los agregados.
Tabla 1. Cantidad aproximada de agua de mezcla
Tabla 2. Relacin A/C necesaria segn resistencia requerida
Tabla 3. Volumen de agregado grueso (seco apisonado) por unidad de volumen de concreto (m3/m3 de concreto)
EJEMPLO DE DOSIFICACINREQUISITOS GENERALESResistencia especificada Desviacin estndar de obras similares (obtenida de 20 resultados) Asentamiento deseado 210 kg/cm2
30 kg/cm2
7 cm Estructura expuesta a la Condiciones ambientales accin de agua dulce Contenido estimado de aire atrapado 2%
EJEMPLO DE DOSIFICACINPROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES2.1 Cemento: Portland tipo 1 Densidad (peso especfico) = 2.95gr/cm3
2.2 Agregado grueso:TAMIZ Referencia mm 1" 25.4 3/4" 19.05 1/2" 12.7 3/8" 9.51 No. 4 4.76 Fondo TOTAL PESO % RETENIDO % RETENIDO RETENIDO ACUMULAD 655.2 13.1 13.1 750.8 15.0 28.1 1020.3 20.4 48.5 1265.7 25.3 73.8 898.3 18.0 91.8 409.6 8.2 100.0 4999.9 100.0 % PASA 86.9 71.9 51.5 26.2 8.2 0.0 -
Peso especfico aparente (SSS) 2.48 gr/cm3 Peso especfico 2.52 gr/cm3 Peso unitario seco Peso unitario apisonado Absorcin Humedad Textura 1432 kg/cm 1572 kg/cm 2.50% 1.90% lisa3 3
2.3 Agregado fino:TAMIZ Referencia mm No. 4 4.76 No. 8 2.38 No. 16 1.19 No. 30 0.595 No. 50 0.297 No. 100 0.149 Fondo TOTAL PESO % RETENIDO % RETENIDO % PASA RETENIDO ACUMULAD 183.2 9.2 9.2 90.8 158.7 7.9 17.1 82.9 453.5 22.7 39.8 60.2 486.2 24.3 64.1 35.9 352.5 17.6 81.7 18.3 295.3 14.8 96.5 3.5 70.5 3.5 100.0 0.0 1999.9 100.0 -
Mdulo de finura Materia orgnica (colorimetra) Contenido material pasa tamiz #200 Peso especfico aparente (SSS) Peso especfico Peso unitario seco Peso unitario apisonado Absorcin Humedad
3.08 2 2.30% 2.27 gr/cm3 2.43 gr/cm3 1490 kg/cm3 1608 kg/cm3 1.40% 4.50%
MTODO RNL
INTRODUCCINMtodo de diseo de mezclas de Gran Bretaa. Agregados que no cumplen con la NTC174 (optimizacin granulomtrica)Tiene en cuenta la granulometra total de los agregados. Tiene en cuenta si el concreto tiene o no aire incorporado.
PROCEDIMIENTO0. Calcular la resistencia real de diseo 1. Verificacin especificaciones granulomtricas
2. Determinar el asentamiento en cono de Abrams requerido por la obra especfica, y el empleo o no de aire incorporado.3. De la tabla 1 establecer el contenido de agua necesario para alcanzar el asentamiento requerido. 4. Segn la resistencia requerida, en el caso de no primar las condiciones de durabilidad, establecer la relacin A/C para alcanzarla, segn la tabla 2. 5. Calcular el contenido de cemento, basado en el contenido de agua y la relacin A/C (Pasos 2 y 3) y posteriormente el volumen ocupado por el cemento. 6. Realizar la optimizacin granulomtrica
PROCEDIMIENTO7. Calcular el volumen de los agregados:
VolAg 1 (vol.aire vol.agua vol.cemento)8. Calcular la densidad promedio de los agregados:
dG dF dprom % F dG %G dF dprom % F dF %G dG
Cuando las densidades aparentes de los agregados son muy diferentes
Cuando las densidades aparentes de los agregados NO son muy diferentes
9. Calcular los pesos de los agregados:
WG dprom VolAg %GWF dprom VolAg % F10. Hacer la correccin por humedad.
EJEMPLO DE DOSIFICACINREQUISITOS GENERALESUso Resistencia especificada Consistencia deseada Sistema compactacin Columnas de un puente expuestas a agua dulce en clima severo 21MPa Semi-seca Vibrador
PROPIEDADES FSICAS DE LOS MATERIALES 2.1 Cemento:Portland tipo 1 Densidad (peso especfico) = 3.10gr/cm3
2.2 Agregados:TAMIZ Referencia 1" 3/4" 1/2" 3/8" No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100 mm 25.4 19.05 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149 % PASA GRAVA ARENA 100 95 70 40 100 12 78 65 45 35 25 15
Densidad Aparente (kg/m3) Masa unitaria Compactada (kg/m ) Forma Humedad Absorcin3
GRAVA 2420 1620 Angular 3% 2%
ARENA 2590 1650 5% 1%
Se emplear agua del acueducto de la localidad.
Verificacin especificaciones granulomtricas
OPTIMIZACIN 1. Dibujar un cuadro de 10 divisiones en las ordenadas y 10 GRANULOMTRICA divisiones en las abscisas.2. Enumerar los ejes verticales de abajo hacia arriba de 0 a 100; el eje horizontal superior de 0 a 100 de izquierda a derecha y el eje horizontal inferior de 0 a 100 de derecha a izquierda. 3. El eje horizontal superior corresponde al porcentaje de arena (finos) y el eje horizontal inferior corresponde al porcentaje de grava (gruesos). El eje vertical izquierdo corresponde a la granulometra de la grava y el derecho a la granulometra de la arena. 4. Colocar sobre cada eje vertical la granulometra correspondiente. 5. Unir con lneas rectas los puntos correspondientes a cada tamiz en las dos granulometras.
OPTIMIZACIN 6. Sobre las lneas inclinadas colocar los puntos correspondientes a GRANULOMTRICA la especificacin elegida (Fuller y Thompson).
7. Trazar un eje vertical que separe que separe los puntos hallados en igual cantidad a izquierda y derecha. A este eje le corresponde un porcentaje de arena y de grava que representa la mezcla ptima.