“ELABORACIÓN DEL HORMIGÓN CON LA SUSTITUCIÓN TOTAL DE LA ARENA LAVADA DE RÍO POR PIEDRA TRITURADA BASÁLTICA” Autores: Josemaría Hrisuk Trussi Yoshio Euclides Benegas Ujiie Tutor: Prof. Ing. Iván Lischuk Barán Encarnación – Paraguay 2022 INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La arena lavada es un recurso limitado cuya explotación va en aumento, lo que eventualmente podría llevar a no satisfacer la demanda existente. Justificación Es necesaria una alternativa a la arena lavada como agregado fino en la elaboración del hormigón para evitar futuros problemas. OBJETIVOS Generales Evaluar la sustitución de la arena lavada por piedra basáltica triturada en las propiedades físicas y mecánicas del hormigón elaborado. Específicos • Caracterizar los materiales empleados para la elaboración del hormigón. • Determinar una dosificación patrón de un hormigón convencional. • Determinar una dosificación óptima del hormigón elaborado con la sustitución total de la arena lavada por la piedra basáltica triturada. • Establecer las propiedades físicas y mecánicas tanto del hormigón convencional como del elaborado con la sustitución total de la arena lavada por la piedra basáltica triturada. GENERAL Evaluar la sustitución de la arena lavada por piedra basáltica triturada en las propiedades físicas y mecánicas del hormigón elaborado. ESPECÍFICO • Caracterizar los materiales empleados para la elaboración del hormigón. • Determinar una dosificación patrón de un hormigón convencional. • Determinar una dosificación óptima del hormigón elaborado con la sustitución total de la arena lavada por la piedra basáltica triturada. • Establecer las propiedades físicas y mecánicas tanto del hormigón convencional como del elaborado con la sustitución total de la arena lavada por la piedra basáltica triturada. MARCO TEÓRICO ¿Qué es el hormigón? El hormigón es una mezcla homogénea compuesta por una pasta de cemento y agua, con agregado grueso y fino, que en estado fresco tiene cohesión y trabajabilidad y que luego, por el fraguado y el endurecimiento de la pasta cementicia, adquiere resistencia ¿Cuáles son sus componentes? • Agregado Fino • Agregado Grueso • Agua • Cemento • Aditivo Dosificación del Hormigón Puede ser definida como el proceso de selección de los ingredientes más adecuados y de la combinación más conveniente y económica de los mismos. Método de Dosificación del American Concrete Institute (ACI) Es el método más ampliamente usado en el continente americano, y desde luego en el mundo para los hormigones convencionales. Propiedades del hormigón • Propiedad Física • Propiedad Mecánica Propiedades Mecánicas • Resistencia a la Compresión Simple • Resistencia a la Tracción indirecta • Resistencia a la Flexotracción Propiedades Físicas • Docilidad • Permeabilidad • Homogeneidad • Densidad • Masa Especifica • Consistencia • Compacidad Clasificación del hormigón según su densidad en los siguientes grupos: • Hormigón ligero: de densidad igual o mayor a 800 kg/m3 , pero inferior a 2000 kg/m3. • Hormigón pesado: de densidad mayor a 2600 kg/m3. • Hormigón de densidad normal: comprendido entre 2000 kg/m3 y 2600 kg/m3 . La consistencia es el grado de facilidad con que una mezcla puede cambiar de forma. Puede ser medida por diversos métodos, el más usual es el cono de Abrams. Consistencia de los hormigones. Consistencia Asentamiento (cm.) Seca (S) 0–2 Plástica (P) 3–5 Blanda (B) 6–9 Fluida (F) 10 – 15 Líquida (L) ≥ 16 METODOLOGÍA METODOLOGÍA Primera Etapa Segunda Etapa Caracterización de los materiales Dosificación de hormigones Arena. Ensayos: •Granulometría •Peso unitario •Peso específico •Absorción y contenido de agua [Método de la curva Fuller] Dosificación de los áridos: • Fino (arena, piedra 6ta) • Grueso (piedra 5ta y 4ta) Piedra triturada. Ensayos: •Granulometría •Peso unitario suelto y compactado •Peso específico •Absorción y contenido de agua [Método de la ACI] Dosificación de los hormigones: • Convencional (H°C°) • Elaborado (H°P1, H°P2 y H°P3) Cemento. Ensayo: •Peso específico Tercera Etapa Elaboración de los hormigones Ensayos al hormigón fresco Consistencia Densidad Aparente Ensayos al hormigón endurecido Resistencia a la compresión simple Resistencia a la tracción Densidad seca, Absorción, volumen de vacíos Dosificación de los áridos Curva granulométrica de Fuller 𝑌 = 100 × 𝑑 𝐷 Donde: “D” es el tamaño máximo nominal del agregado total en mm, “d” abertura en mm de la serie de tamices a ser empleadas, “Y” el porcentaje en peso de agregados que pasan a través del tamiz “d”. Dosificación del hormigón A continuación, se describen los pasos seguidos para la estimación de la cantidad de materiales componentes del hormigón: I. Elección del asentamiento: atendiendo a la normativa ACI 211.1- 91, se seleccionó el valor del asentamiento para el estudio. Asentamientos recomendados para varios tipos de construcción. Tipo de construcción Asentamiento (cm) Máximo Mínimo 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 en masa 7,5 2,5 Muros de subestructura sencillos, zapatas, muros y cajones de cimentación Fuente: ACI 211.1-91 Práctica estándar para seleccionar proporciones para concreto normal, pesado y masivo, p. 7 II. Resistencia característica promedio requerida: Según la ACI 318s-05, la resistencia promedio a la compresión requerida cuando no hay datos disponibles para establecer una desviación estándar de la muestra, se obtiene de la siguiente tabla. Resistencia promedio a la compresión requerida cuando no hay datos disponibles para establecer una desviación estándar de la muestra. Resistencia especificada a la compresión, MPa fck < 20 20 ≤ fck ≤ 35 fck > 35 Resistencia promedio requerida a la compresión, MPa fcm = fck + 7.0 fcm = fck + 8.5 fcm = 1.10fck +5.0 Fuente: ACI 318s-05. Requisitos del Reglamento para Concreto Estructural, p. 66. III. Estimación de la cantidad de aire ocluido: éste fue extraído de la tabla que está en función del tamaño máximo nominal del árido grueso obtenido en los ensayos de caracterización. Estimación de la cantidad de aire atrapado en la mezcla en función del tamaño máximo del agregado grueso. Tamaño máximo nominal del agregado grueso Aire atrapado 3/8’’ 3,00% ½’’ 2,50% ¾’’ 2,00% 1’’ 1,50% 1 ½’’ 1,00% 2’’ 0,50% 3’’ 0,30% Fuente: ACI 211.1-1991 – Práctica estándar para seleccionar proporciones para concreto normal, pesado y masivo, p. 8. 4’’ 0,20% IV. Estimación del volumen unitario de agua: éste se encuentra en función del asentamiento, al tipo de concreto, ya sea sin aire incorporado o con aire incorporado, también se tiene en cuenta el tamaño máximo nominal del agregado grueso obtenido en los ensayos de caracterización. Requisitos aproximados de agua de mezclado y contenido de aire para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado. Agua en lt/m3, para el tamaño máximo nominal de agregado grueso y consistencia indicada Tamaño máximo nominal del árido grueso Asentamiento 3/8’’ ½’’ ¾’’ 1’’ 1 ½’’ 2’’ 3’’ 6’’ Concreto sin aire incorporado 1’’ a 2’’ 207 199 190 179 166 154 130 113 3’’ a 4’’ 228 216 205 193 181 169 145 124 6’’ a 7’’ 243 228 216 202 190 178 160 ------- Concreto con aire incorporado 1’’ a 2’’ 181 175 168 160 150 142 122 107 3’’ a 4’’ 202 193 184 175 165 157 133 119 Fuente: ACI 211.1-1991 – Práctica estándar para seleccionar proporciones para concreto normal, pesado y masico, p. 8. 6’’ a 7’’ 216 205 197 184 174 166 154 ------- V. Estimación de la relación agua-cemento: Seguidamente, se obtuvo la relación agua/cemento para una mezcla de hormigón sin aire ocluido, partiendo de la resistencia promedio requerida. Correspondencia entre la relación agua/cemento y la resistencia a la compresión. Resistencia a la compresión a los 28 días (Kg/cm2) Relación agua/cemento en peso Hormigón sin aire Hormigón con aire incorporado incorporado 150 0,8 0,71 200 0,7 0,61 250 0,62 0,53 300 0,55 0,46 350 0,48 0,4 400 0,43 - Fuente: ACI 211.1-1991Práctica estándar para seleccionar proporciones para concreto normal, 450 0,38 - pesado y masivo, p. 9. VI. Cálculo del contenido de cemento: habiendo obtenido los valores de la relación agua/cemento y el volumen unitario de agua hallada en función al asentamiento y al tamaño máximo nominal del árido grueso, y siguiendo con las indicaciones de la ACI 211.11991, el contenido de la cantidad de cemento se obtuvo dividiendo el contenido estimado de agua con la relación aguacemento 𝑪= 𝑾𝟏 𝑾 𝑪 𝑲𝒈 Donde C es la cantidad de cemento para 1m3 de hormigón, W es la cantidad de agua para 1m3 de hormigón y W1 es la cantidad de agua inicial para 1m3 de hormigón. VII. Estimación del contenido de árido: Según la ACI 211.1-1991, la cantidad de árido puede estimarse por el método del peso o del volumen absoluto. 𝑽𝑾 + 𝑽𝑨 + 𝑽𝑪 + 𝑽𝑮 + 𝑽𝑭 = 𝟏 𝒎𝟑 𝑽𝒂 Donde Vw, VA, VC, VG y VF son el volumen del agua, del aire, del cemento, del agregado grueso respectivamente. Va Es el volumen total de agregados. y del agregado fino Teniendo el volumen total de agregado y las proporciones establecidas anteriormente mediante la curva Fuller, se puede estimar la masa de cada componente. 𝒙∙𝒎𝒂 𝝆𝟒𝒕𝒂 + 𝒚∙𝒎𝒂 𝝆𝟓𝒕𝒂 + 𝒛∙𝒎𝒂 𝝆𝒇𝒊𝒏𝒐 = 𝑽𝒂 (𝒎𝟑 ) 𝒎𝟒𝒕𝒂 = 𝒙 ∙ 𝒎𝒂 𝒎𝟓𝒕𝒂 = 𝒚 ∙ 𝒎𝒂 𝒎𝒇𝒊𝒏𝒐 = 𝒛 ∙ 𝒎𝒂 Donde: • 𝒎𝒂 es la masa total de agregado. • x, y y z son las proporciones de 4ta, 5ta y fino (arena o 6ta) respectivamente. • 𝝆𝟒𝒕𝒂 , 𝝆𝟓𝒕𝒂 𝒚 𝝆𝒇𝒊𝒏𝒐 son la densidades de la 4ta, 5ta y fino (arena o 6ta) respectivamente. • 𝑽𝒂 es el volumen total de agregado. • 𝒎𝟒𝒕𝒂 , 𝒎𝟓𝒕𝒂 𝐲 𝒎𝒇𝒊𝒏𝒐 son las masas de 4ta, 5ta y fino ( arena o 6ta) respectivamente. VIII. Ajuste por humedad de los agregados: se realizó la corrección por humedad lo cual consistió en calcular nuevas cantidades de agregado grueso y agregado fino según el porcentaje de humedad que poseían los materiales 𝑭𝑺𝑺𝑺 𝑭𝒉 = 𝒉𝒇 1+ 100 𝑲𝒈 𝑮𝒉 = 𝑮𝟏𝑺𝑺𝑺 𝒉𝒈 𝟏+𝟏𝟎𝟎 𝑲𝒈 IX. Ajuste de la cantidad de agua de la mezcla por humedad y absorción: Se tuvo en cuenta que los agregados además del porcentaje de absorción tenían un porcentaje de humedad por lo que ya contenían agua que debió ser restada al valor de la absorción quedando el cálculo de la siguiente manera 𝑾 𝒉 = 𝑾 + 𝑭𝒉 ∗ 𝒉𝒂𝒇 – 𝒉𝒇 𝟏𝟎𝟎 + 𝑮𝒉 ∗ 𝒉 𝒂𝒈 – 𝒉𝒈 𝟏𝟎𝟎 𝑳𝒕𝒔 Materiales y equipos listos para iniciar el amasado 1- Agregar una parte del agua de amasado 2- Agregar la totalidad del agregado grueso 3- Agregar la totalidad del agregado fino 4- Agregar la totalidad del cemento 5- Agregar la otra parte del agua de amasado - Se deja mezclando por lo menos 3 minutos Una vez acabado el mezclado el hormigón fresco es vertido en una carretilla para posteriormente realizar los ensayos a la masa fresca y la preparación de probetas y viguetas. ARENA TAMIZ PIEDRA 5TA PIEDRA 4TA SERIE DE R PROMEDIO R PROMEDIO R PROMEDIO TAMICES (mm) (%) (%) (%) FÜLLER T. Máx.. MEZCLA 19 %retenido RyA PASA 1 1/2" 0,00 0,00 0,00 37,5 100,00 0,00 0,00 100,00 1" 0,00 0,00 0,00 25 100,00 0,00 0,00 100,00 3/4" 0,00 0,00 0,50 19 100,00 0,13 0,13 99,88 1/2" 0,00 0,00 77,12 12,5 81,11 19,28 19,41 80,60 3/8" 0,00 18,10 21,76 9,5 70,71 12,68 32,09 67,92 1/4" 0,00 56,65 0,27 6,30 57,58 22,73 54,81 45,19 4 0,00 21,87 0,27 4,75 50,00 8,82 63,63 36,37 8 0,24 3,30 0,04 2,5 36,27 1,41 65,04 34,96 16 0,74 0,00 0,00 1,2 25,13 0,26 65,30 34,70 30 3,87 0,01 0,00 0,63 18,21 1,36 66,66 33,34 50 42,55 0,02 0,00 0,3 12,57 14,90 81,56 18,44 100 51,64 0,01 0,00 0,15 8,89 18,08 99,64 0,36 200 0,86 0,01 0,00 0,075 6,28 0,31 99,94 0,06 % de áridos arena 5ta 4ta 35% 40% 25% 𝑌 = 100 × 𝑑 𝐷 % de áridos optados Tipo de Hormigón Arena H°C° 35% H°P1 H°P2 H°P3 - 6ta 50% 60% 35% 5ta 40% 25% 10% 40% 4ta 25% 25% 30% 25% PORCENTAJE GRÁFICA FULLER - ARENA 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 37,5 25 19 12,5 9,5 Fuller 6,30 4,75 2,5 TAMAÑO TAMIZ Mezcla % de árido optado Arena 5ta 4ta 35% 40% 25% 1,2 0,63 0,3 0,15 0,075 PORCENTAJE GRÁFICO FULLER -PIEDRA 6ta 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 37,5 25 19 12,5 9,5 6,30 4,75 2,5 TAMAÑO TAMIZ Fuller Mezcla % de árido optado 6ta 5ta 4ta 50% 25% 25% 1,2 0,63 0,3 0,15 0,075 PORCENTAJE GRÁFICO FULLER -PIEDRA 6ta 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 37,5 25 19 12,5 9,5 6,30 4,75 2,5 TAMAÑO TAMIZ Fuller Mezcla % de árido optado 6ta 5ta 4ta 60% 10% 30% 1,2 0,63 0,3 0,15 0,075 PORCENTAJE GRÁFICO FULLER -PIEDRA 6ta 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 37,5 25 19 12,5 9,5 6,30 4,75 2,5 TAMAÑO TAMIZ Fuller Mezcla % de árido optado 6ta 5ta 4ta 35% 40% 25% 1,2 0,63 0,3 0,15 0,075 Cantidad por m3 de Materiales para los diferentes hormigones H-30 Cemento [Kg] Árido Fino Arena [Kg] Para 1 m3 372,73 647,00 - 727,65 457,61 188,78 Utilizado 36,37 63,13 - 71,00 44,65 18,42 Para 1 m3 372,73 - 900,83 447,63 450,41 201,94 Utilizado 36,37 - 87,90 43,68 43,95 19,70 Para 1 m3 372,73 - 1070,08 177,24 535,04 201,18 Utilizado 36,37 - 104,41 17,29 52,21 19,63 Para 1 m3 372,73 - 638,88 725,63 456,34 201,79 Utilizado 36,37 - 62,34 70,80 44,53 19,69 Cantidad de Material H°C° H°P1 H°P2 H°P3 Árido Fino Árido Grueso Árido Grueso Agua [lts] 6ta 5ta 4ta [Kg] [Kg] [Kg] Consistencia Hormigón H-30 H° E 1ra Dosif. H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. Blanda Seca Seca Seca 8 0,56 8 0,54 7 0,52 6 0,5 5 4 3 0,54 0,54 0,54 0,51 0,48 0,46 0,44 2 2 1 2 1 0 0,42 0,4 H°C° H° E 1ra Dosif. H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. Relación agua/cemento Asentamiento (cm) Relación agua/cemento H°C° 9 Consistenca Asentamiento [cm] Tipo de Hormigón Densidad del hormigón en estado Fresco Densidad kg/cm3 2,70 2,65 2,60 2,55 2,50 2,454 2,45 2,414 2,40 2,396 2,385 2,35 2,30 H°C° H° E 1ra Dosif. H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. Densidad Seca Global [kg/m3] 2 520 20% 17,24% 2 500 2 480 15,45% 13,26% 2 420 2426,25 5,40% 10% 8% 6,09% 6% 2412,55 2 400 16% 12% 2453,50 7,15% 18% 14% 15,19% 2 460 2 440 2495,16 6,38% 4% 2 380 2% 2 360 0% H°C° H° E 1ra Dosif. Densidad seca global (o bruta) [kg/m3] Volumen de vacios [%] H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. Absorción de agua [%] Absorción de agua y Volumen de vacíos [%] Densidad Seca, Absorción y volumen de vacíos Resistencia a la compresión simple [Mpa] Resistencia a la Compresión Simple 45,00 42,23 40,00 35,00 38,20 24,95 24,79 30,64 30,00 25,00 38,25 21,56 21,11 20,00 16,86 15,74 15,00 14,93 9,60 10,00 5,00 0,00 H°C° H° E 1ra Dosif. H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. 3 días 7 días 28 días Resistencia a la Flexión Resistencia a la Flexión H-30 Resistencia a la flexión [Mpa] 7,00 6,00 6,43 6,07 5,59 6,46 5,27 4,82 5,00 4,30 4,03 4,00 3,37 4,69 4,63 3,38 3,00 2,00 1,00 0,00 H°C° H° E 1ra Dosif. 3 días 7 días H° E 2da Dosif. 28 días H° E 3ra Dosif. Costo total por m³ 600000 580000 590 206 589 046 591 365 H° E 1ra Dosif. H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. 580 452 560000 540000 520000 500000 H°C° • Resistencia - Asentamiento • Costo económico • Densidad seca, Absorción y Volumen de vacíos Se analizan estas propiedades buscando obtener un hormigón con una buena relación resistencia-trabajabilidad que garantice una menor presencia de coqueras y, por ende, una mayor durabilidad. Resistencia - Asentamiento 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 42,23 38,20 8 38,25 21,56 2 2 1 H°C° H° E 1ra Dosif Resistencia MPa 28 días H° E 2da Dosif H° E 3ra Dosif Asentamiento cm 9 8 7 6 5 4 3 2 1 - Asentamiento [cm] Resistencia a la compresión [MPa] Resistencia/Asentamiento Tipo de Resistencia a la Costo de Costo/Resistencia Ahorro económico por (MPa) Ganancia de cada MPa (GS) resistencia hormigón compresión simple 1m3 GS H°C° 42,23 Mpa 580.452 13.746 - - H°P1 38,25 Mpa 590.206 15.431 -1.686 Gs -3,98 MPa H°P2 38,20 Mpa 589.046 15.422 -1.676 Gs -4,03 Mpa H°P3 21,56 Mpa 591.365 27.435 -13.689 Gs -20,67 Mpa Costo de Hormigón por MPa 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 -5 000 -10 000 -15 000 -20 000 0 -3,98 0 -4,03 -5 27 435 13 746 15 431 -1 686 -10 15 422 -15 -1 676 -13 689 -20 -20,67 -25 H°C° H° E 1ra Dosif. Costo/Resistencia [Gs./MPa] Ganancia de Mpa [MPa] H° E 2da Dosif. H° E 3ra Dosif. Ahorro por cada Mpa [Gs.] Ganancia de MPa Costo/Resistencia y Ahorro por cada MPa Resistencia a la Compresión El hormigón elaborado con la sustitución de arena por piedra triturada y hormigón convencional, resultaron ser del grupo conocido como hormigones de densidad normal, este tipo de hormigón es el más utilizado para cualquier tipo de construcción. La absorción del hormigón convencional se mantiene por debajo del 6%, mientras que los hormigones con la sustitución de la arena por la piedra se mantiene por encima del 6% indicando una mayor absorción de agua, en tanto que el volumen de vacíos de cada uno de los hormigones endurecidos se encuentra entre el 8 y 25 por ciento. CONCLUSIONES Se pudo observar una disminución en la resistencia a la compresión simple en cada una de las dosificaciones realizadas, siendo más significativa en la tercera dosificación. Se presume que esta pérdida de resistencia se debe a la diferencia en la relación agua/cemento del H°C° en comparación a los elaborados con la sustitución total de la arena lavada por piedra basáltica triturada. En cuanto a la resistencia a la flexión se observó una disminución significativa en el H°P3 y una menos significativa en el H°P1, sin embargo, en el H°P2 se notó un incremento no muy significativo. Esta pérdida se produjo por el incremento en el volumen de vacíos presente en estos hormigones, causado por su baja trabajabilidad. Analizando el aspecto económico, considerando el costo por m3 de hormigón (Gs./m3), los hormigones elaborados con la sustitución del agregado fino tienen un costo más elevado que el convencional. Se determinó una dosificación óptima del hormigón elaborado con la sustitución total de la arena lavada por la piedra basáltica triturada, el H°P2 que en cuanto a sus propiedades mecánicas presentó una disminución en la resistencia a la compresión simple pero un incremento en la resistencia a la flexión. Observando las propiedades físicas se demuestra que fue el hormigón menos afectado en la trabajabilidad y con menor incremento en la absorción, además de tener el sobrecosto más bajo. Se consideran satisfactorios los resultados teniendo en cuenta que este tipo de hormigón no es ampliamente utilizado en nuestra región, por lo que la información existente al respecto es muy escaza. Con investigación y experimentación más extensa se pueden lograr hormigones con mejoras en sus propiedades físicas y mecánicas, como pueden ser la resistencia a la compresión, la trabajabilidad en estado fresco y el efecto en su durabilidad. RECOMENDACION • Evaluar la influencia del uso de aditivos fluidificantes y superfluidificantes en las propiedades mecánicas y físicas del hormigón elaborado con la sustitución total de la arena lavada por piedra basáltica triturada. ¡MUCHAS GRACIAS!