TECNOLOGIA DEL CONCRETO

ING. MAGNO CHAPARRO SALAS

INTRODUCCION

La Tecnología del Concreto a nivel mundial ha venido ligada a la historia del cemento y al desarrollo de la Ingeniería Civil

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

• Conjunto de conocimientos científicos orientados a la aplicación del concreto en la construcción.

• Cada elemento del concreto dará un parámetro de diseño.

• Hay una necesidad de investigación e innovación permanente.

• Tecnología del concreto no es campo limitado a “laboratoristas”

Es importante conocer someramente los hechos y aportes en su mayoría anónimos de los que nos antecedieron en épocas y condiciones quizás mucho más duras y difíciles que la actual, si reflexionamos sobre las tremendas limitaciones que debieron afrontar, y que pese a ello sobreponiéndose a esos retos, cimentaron la estructura científica y tecnológica que hoy día aprovechamos.

EL IMPERIO INCAICO.No obstante que los antiguos peruanos

tuvieron sólidos conocimientos sobre astronomía, trazado y construcción de canales de irrigación, edificaciones de piedra y adobe, no existen evidencias del empleo de ningún material cementante en este período que se caracterizó por un desarrollo notable del empleo de la piedra sin elementos ligantes de unión entre piezas.

Constituye un misterio hasta nuestros días cómo sin el conocimiento de la rueda ni un sistema de escritura completo, lograron nuestros antepasados adelantos tan notables para aquellos tiempos en aspectos como la agricultura, irrigación, vialidad y edificación que obviamente compensaron la no disponibilidad de otros recursos técnicos.

• Fines del siglo XIX, las obras se encargaban a ingenieros extranjeros

• 1875: se funda la Escuela Nacional de Ingenieros (hoy UNI)

• 1892: se oficializa la especialidad de Ingeniería Civil, antes se les conocía como “Ingenieros del Estado”

• Hasta principios de los 40, la mayoría de proyectos importantes los hacían extranjeros

• 1933: se crea Ingeniería Civil en la Universidad Católica

• 1915: Foundation Co. Trae los primeros hornos para la fabricación de cemento

• Entre 1955 1975 surgen Chilca, Lima Andino, Chiclayo, Pacasmayo, Sur y Yura

• A partir de 1970 se relega el estudio de la Tecnología del Concreto

• El curso es tocado muy someramente en las universidades actualmente

• La diversidad obliga a la creación de una Tecnología del Concreto local

¿Qué es el concreto?El concreto es el material constituido por la mezcla en ciertas proporciones de cemento, agua, agregados y opcionalmente aditivos, que inicialmente denota una estructura plástica y moldeable, que posteriormente adquiere una consistencia rígida con propiedades aislantes y resistentes, lo que lo hace un material ideal para la construcción.

Elementos del Concreto• Cemento Portland• Agua• Agregados• Aditivos

Cemento PortlandEs un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación de rocas calizas, areniscas y arcillas, de manera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo propiedades resistentes y adherentes

Cemento PortlandEs un producto comercial de fácil adquisición en

el cual cuando se mezcla con agua, ya sea solo o en combinación con arena, piedra u otros materiales, tiene la propiedad de combinarse lentamente con el agua hasta formar una masa endurecida. Esencialmente es un clinker finalmente pulverizado, producido por la cocción a elevadas temperaturas, de mesclas que contienen cal, alúmina, fierro y sílice en proporciones determinadas.

Componente Procedencia

95%

Óxido de Calcio (CaO)

Rocas Calizas

Óxido de Sílice (SiO2) Areniscas

Óxido de Aluminio (Al2O3)

Arcillas

Óxido de Fierro (Fe2O3)

Arcillas, Mineral de Hierro, Pirita

5 %

Óxidos de Magnesio, Sodio, Potasio, Titanio, Azufre, Fósforo y Magnesio Minerales Varios

Composición Cemento Portland

Compuesto Porcentaje Abreviatura

CaO 61% - 67% C

SiO2 20% - 27% S

Al2O3 4% - 7% A

Fe2O3 2% - 4% F

SO3 1% - 3%

MgO 1% - 5%

K2O y Na2O 0.25% - 1.5%

Materias primas utilizadas Cemento

Los dos materiales principales con los que se fabrica el cemento Portland son: un material calcáreo, tal como la piedra caliza, conchas, greda o marga, y un material arcilloso (en el cual el sílice es el constituyente importante) tales como la arcilla, pizarra o escoria de altos hornos. Algunas veces los materiales calcáreos y arcillosos se encuentran combinados en depósitos naturales.

PROCESO DE FABRICACION DEL CEMENTO.

• El proceso de fabricación del cemento, comienza en las canteras con la extracción de materias primas (obtención y preparación de materias primas) que se efectúa normalmente mediante explotaciones a cielo abierto, con el uso de perforadoras especiales y posteriores voladuras controladas en el caso de materiales duros como calizas y pizarras.

Mientras que en el caso de materiales blandos (arcillas y margas) utilizan excavadoras para su extracción.

El material extraído es cargado mediante palas de gran capacidad en camiones, los que transportan la materia prima hasta la planta de trituración.

La planta de trituración de caliza, materia prima básica del cemento, permite reducir el material con tamaño de 1.2 m3 hasta un tamaño final menor de 75 mm. Este material triturado es transportado hasta la ubicación de la planta mediante cintas o fajas transp.

• Una vez llegado a la planta, el material es depositado en un parque de prehomogenización.

• Otras materias primas correctoras, tales como la arcilla y mineral hierro, son también depositadas en el parque luego de ser sometidas a la trituración previa.

• En el parque de pre homogenización, el material triturado se almacena en capas uniformes para ser posteriormente seleccionadas de forma controlada.

• Estos materiales se muelen en molinos verticales o de bolas para reducir su tamaño y favorecer así su cocción en el horno. En el molino vertical se tritura el material a través de la presión que ejercen sus rodillos sobre una mesa giratoria. A partir de ahí, la materia prima (harina o crudo) se almacena en un silo para incrementar la uniformidad de la mezcla.

• PRECALENTADOR DE CICLONES.

• La alimentación al horno se realiza a través del pre calentador de ciclones, que calienta la materia prima para facilitar su cocción. La harina o crudo (materia prima molida) se introduce por la parte superior de la torre y va descendiendo por ella. Mientras tanto, los gases provenientes del horno, que están a altas temperaturas, ascienden a contracorriente, precalentado asi el crudo que alcanza a 1000 °C antes de entrar al horno

FABRICACION DE CLINKER - HORNO

• A medida que la harina va avanzando en el interior del horno, mientras este rota, la temperatura alcanza 1500 °C. a esta temperatura se producen complejas reacciones químicas que dan lugar al Clinker.

•

FABRICACION DEL CLINKER- ENFRIADOR

A la salida del horno, clinker se introduce en el enfriador, que inyecta aire frio del exterior para reducir su temperatura de los 1500 °C a los 100 °C.

El aire caliente generado en este dispositivo se introduce nuevamente en el horno para favorecer la combustión , mejorando así la eficiencia energética del proceso-

MOLIENDA DE CLINKER• Una obtenido, el clinker se mezcla con yeso en

proporciones adecuadas, dentro de un molino de cemento. En su interior los materiales se muelen, se mezclan y homogenizan.

• Los molinos pueden ser rodillos y bolas. Consiste en un tubo que rota, sobre si mismo.

• Las distintas calidades del cemento se obtienen con la adición de materiales, para alcanzar determinadas características.

• EXPEDICION

• Por ultimo, el cemento se almacena en silos, separado según sus clases, antes de ser ensacado o descargado en un camión cisterna.

Elementos componentes del cementoa. Silicato Tricálcico:

(3CaO.SiO2 --> C3S --> Alita)Define la resistencia inicial, importante en el calor de hidratación.

b. Silicato Dicálcico: (2CaO.SiO2 --> C2S --> Belita) Define la resistencia a largo plazo

• c. Aluminato Tricálcico:• (3CaO.Al2O3) --> C3A• Es responsable de la resistencia del cemento a

los sulfatos

d. Aluminio-Ferrito Tetracalcico: (4CaO.Al2O3.Fe2O3 --> C4AF --> Ferrito) trascendencia en la velocidad de hidratación y secundariamente en el calor de hidratación.

e. Óxido de Magnesio (MgO) Para contenidos mayores del 5% trae problemas de

expansión en la pasta hidratada y endurecida.

f. Óxidos de Potasio y Sodio (K2O.Na2O -->Alcalis) Reacciona químicamente con algunos agregados

g. Óxidos de Manganeso y Titanio (Mn2O3.TiO2) En la coloración. Para contenidos > 5%, reducen la

resistencia a largo plazo

• Silicatos y aluminatos son los componentes mayores

• Bogue (1929) da fórmulas basadas en supuestos ideales (pureza y equilibrio) para determinar como se forman los componentes

• Las variantes en las proporciones de los componentes dan como resultado los diferentes tipos de cemento

Mecanismo de HidrataciónReacciones químicas entre el agua y los componentes del cemento, que llevan consigo el cambio del estado plástico al endurecido, con las propiedades inherentes a los nuevos productos formados. Los componentes ya mencionados anteriormente, al reaccionar con el agua forman hidróxidos e hidratos de Calcio complejos.

a. Estado plástico Unión del agua y el polvo de cemento formando una pasta moldeable. Dura entre 40 y 120 minutos (reacciones se atenúan)

b. Fraguado inicialCondición de la pasta de cemento en que se aceleran las reacciones químicas, empieza el endurecimiento y la pérdida de la plasticidad. Se genera el calor de hidratación. Dura alrededor de tres horas

c. Fraguado final

Se obtiene al término de la etapa de fraguado inicial, caracterizándose por endurecimiento significativo y deformaciones permanentes.

d. Endurecimiento Se produce a partir del fraguado final y es el estado en que se mantienen e incrementan con el tiempo las características resistentes.

• El volumen de sólidos crece con el tiempo internamente

• Se necesita, agua, temperatura y tiempo para producir la hidratación (curado)

• Volúmenes de productos de hidratación son menores a volúmenes de agua y cemento empleados (hay contracción de pasta endurecida)

• Relación a/c mínima para hidratación completa: 035 a 0.40

• Tipos de cementos y sus aplicaciones

• En la industria del Perú se produce los tipos y clases de cemento que son requeridos en el mercado Nacional.

• Los diferentes tipos de cemento cumplen estrictamente con las normas.

• El cemento es un polvo gris, mas o menos verdoso, se presenta en bolsas de 42.5 kg. Un pie cubico de capacidad.

• Tipo I• De uso general, donde no se

requieren propiedades especiales; es destinado a obras en de todo tipo.

• Tipo II• De moderada resistencia a los

sulfatos y moderado calor de hidratación. Para emplearse en estructuras con ambientes agresivos y/o en vaciados masivos.

• Tipo III• Desarrollo rápido de resistencia inicial con

elevado calor de hidratación. Para uso en clima frío o en los casos en que se necesita adelantar la puesta en servicio de las estructuras. (desarrolla f¨c en tres días)

• Tipo IV• De bajo calor de hidratación. Para

concreto masivo. • Tipo V• Alta resistencia a los sulfatos. Para

ambientes muy agresivos. (estruc. hidraulicas)

Cementos mezclado o adicionados• Tipo IS• Cemento al que se ha añadido entre un

25% a 70% de escoria de altos hornos referido al peso total.

• Tipo ISM• Cemento al que se ha añadido menos de

25% de escoria de altos hornos referido al peso total.

• Tipo IP• Cemento al que se le ha añadido puzolana

en un porcentaje que oscila entre el 15% y 40% del peso total.

• Tipo IPM• Cemento al que se le ha añadido puzolana

en un porcentaje menor de 15% del peso total.• Todos estos cementos tienen variantes en

que se les añade aire incorporado (sufijo A), se induce resistencia moderada a los sulfatos (sufijo M), o se modera el calor de hidratación (sufijo H).

• Las puzolanas son materiales inertes silíceos y/o aluminosos, que individualmente tienen propiedades aglomerantes casi nulas, pero que finamente molidas y al reaccionar químicamente con hidróxidos de Calcio y agua adquieren propiedades aglomerantes.

• En Perú se fabrican tipo I, II V, IP y IPM• Los fabricantes suelen hacer mucha pruebas

de morteros, pero pocas de concretos.• Las ventajas de los cementos puzolánicos no

son aprovechadas debido a la poca información

Control y almacenaje en obra• Se necesita hacer seguimiento estadístico.• Análisis cada 500 toneladas (muestra mínima de

5Kg)• Limpiar con frecuencia los silos metálicos debido a

los problemas de humedad• Proteger las bolsas de cemento de la humedad• Pasar por la malla # 100, si el retenido está entre 0

y 0.5% entonces no hay hidratación• Si se usa cemento parcialmente hidratado se

tendrá zonas de estructura débil (30% de hidra-tación causan hasta 25 % menos del valor de f`c)

• Efectos de las impurezas:• Exceso de cloruros, sulfatos y carbonatos (más

de 5000 ppm) reducen la resistencia hasta en 30%

• Materia orgánica por encima de 1000 ppm, reduce resistencia e incorpora aire

• Para evaluar, se elaboran cubos de morteros que se comparan, los del agua experimental deben alcanzar el 90% de resistencia que alcanzan los cubos con agua normalizada

• el cemento que se mantiene seco conserv

todas sus características.

Es esencial conservar el cemento seco, para lo cual debe cuidarse no solo de la acción de la humedad sino además tener en cuenta la acción del aire húmedo.

El piso deberá ser de preferencia de madera, para evitar el paso de la humedad

Las bolsas deberán apilarse juntas, de ma-nera de minimizar la circulación del aire dejando un espacio alrededor de paredes.

• Las puertas y ventanas deberán estar permanentemente cerradas.

• El apilamiento del cemento, por periodos hasta de 60 días podrá llegar hasta una altura de 12 bolsas.(> dias 8 bolsas)

• Las bolsas se dispondrán de manera que facilite su utilización de acuerdo al orden cronológico.

• No deberan aceptarse bolsas deterioradas o que manifiesten señales de endurecimiento; el piso debera estar separado del terreno .

AGUA PARA CONCRETO• Es un ingrediente fundamental en la

elaboración del concreto y mortero.• Importante en el estado fresco y endurecido.• Se encuentra en la norma ASTM D-1129.

• AGUA EN LA MEZCLA• El agua presente en la mezcla del concreto

reacciona químicamente con el material cementante para lograr:

• A. la formación del gel.• B. permitir que el conjunto de masa adquiera

las propiedades que:• En estado endurecido faciliten una adecuada

manipulación y colocación de la misma.

• En el estado endurecido la convierta en un producto de las propiedades y características deseadas.

El agua no debe contener sustancias que puedan producir efectos desfavorables sobre el fraguado, la resistencia o durabilidad, apariencia del concreto, o sobre elementos metálicos embebidos en este.

El agua a ser empleada en la preparación de la mezcla debe cumplir con la Norma NTP 339.088

• Agua: elemento indispensable para la hidratación del cemento

• Funciones:• Reaccionar con el cemento para hidratarlo• Actuar como lubricante para contribuir a la

trabajabilidad del conjunto• Procurar la estructura de vacíos necesaria en la

pasta para que los productos de hidratación tengan espacio para desarrollarse

• Regla empírica: si es apta para el consumo humano, es apta para el concreto

CONDICIONES GENERALES • Como requisito de carácter general y sin que

ello implique excluir la realización de ensayos que permitan verificar su calidad, podrán emplearse como aguas de amasado y curado todas aquellas reconocidas como potables o sobre las que se posea experiencia por haber sido empleadas para tal fin, con resultados satisfactorios.

• El agua empleada para amasar y curar el hormigón deberá ser de propiedades colorantes nulas, deberá ser clara, libre de glúcidos (azúcares) y de aceites. Además, no deberá contener substancias que puedan producir efectos desfavorables sobre el fraguado, la resistencia o la durabilidad del hormigón o sobre las armaduras.

• Previamente a su empleo, será necesario investigar y asegurarse de que la fuente de provisión no está sometida a influencias que puedan modificar su composición y características con respecto a las conocidas que permitieron su empleo con resultado satisfactorio.

REQUISITOS

Requisitos previos -El agua ha de cumplir lo siguiente:• El contenido de materia orgánica, < 3 mg/l (3 ppm).• El contenido de residuo sólido < 5 g/l (5000 ppm).• El pH estará comprendido entre 5,5 y 8• El contenido de sulfatos, (ion SO4) < 0,6 g/l • El contenido de cloruros, ( ion Cl) < 1 g/l (1000 ppm).

• El contenido de carbonatos y bicarbonatos alcalinos (alcalinidad) ( NaHCO3) < 1 g/l (1000 ppm).

• Opcional.- Si la variación de color es una característica que se desea controlar, el contenido de fierro, expresado en ion férrico, será de una parte por millón (1 ppm).

• Requisitos definitivos • Cuando el agua ensayada no cumpla uno o varios de los

requisitos previos establecidos, se podrán realizar ensayos comparativas empleando en un caso el agua en estudio y en otro agua destilada o potable, Dichos ensayos consistirán en la determinación del tiempo de fraguado del cemento y resistencia a compresión del mortero a las edades de 7 días y 28 días.

• Cuando la concentración de sales, se realizaran también ensayos de resistencia a la comprensión a las edades de 180 días y 365 días.

• Los tiempos de fraguado inicial y final de la pasta que contiene al agua en estudio podrán ser hasta 25% menor y 25% mayor, respectivamente, que los correspondientes a la pasta que contiene el agua de referencia.

• La reducción de resistencia del mortero que contiene el agua en estudio a cualquier edad de ensayo, podrá ser como máximo del 10%.

• INSPECCION Y RECEPCION • Toma de muestras• Se realizara conforme lo indicado en la Norma

ITINTEC 339.070 • Aceptación y rechazo• Debe cumplir los requisitos previos• Si no cumple los requisitos previos, debe cumplir

los requisitos definitivos, si no será totalmente rechazada

• Efectos más perniciosos del agua con impurezas:

• Retardo en el endurecimiento• Reducción de las resistencias• Manchas en el concreto endurecido• Eflorescencias• Contribución a la corrosión del acero• Cambios volumétricos

Descripción Límite permisible

Sólidos en suspensión 5000 ppm máximo

Materia orgánica 3 ppm máximo

Carbonatos y bicarbonatos alcalinos (alcalinidad total expresada en NaHCO3) 1000 ppm máximo

Sulfatos (ión SO4) 600 ppm máximo

Cloruros (ión Cl) 1000 ppm máximo

pH Entre 5.5 y 8

Norma ITINTEC 339.088

Agregados

Elementos inertes del concreto que son aglomerados por la pasta de cemento para formar la estructura resistente. Ocupan alrededor de las 3/4 partes del volumen total.

Se ha establecido convencionalmente la distinción entre agregado grueso (piedra) y agregado fino (arena) en función de las partículas mayores y las menores de 4.75 mm (Malla Standard ASTM # 4).

Deben conformar una estructura densa y trabajable

DEFINICIONES• Agregado para hormigón (concreto).- Es un

conjunto de partículas, de origen natural o artificial que pueden ser tratadas o elaboradas y cuyas dimensiones están comprendidas entre los límites fijados por la presente Norma.

• Agregado fino.- Es el agregado proveniente de la desintegración natural o artificial, que pasa el tamiz ITINTEC 9,5 mm (3/8") y que cumple con los límites establecidos en la presente Norma.

• Arena.- Es el agregado fino proveniente de la desintegración natural de las rocas.

• Agregado grueso.- Es el agregado retenido en el tamiz ITINTEC 4,75 mm (Nº 4) proveniente de la desintegración natural o mecánica de la roca, y que cumple con los límites establecidos en la presente Norma.

• Grava.- Es el agregado grueso, proveniente de la desintegración natural de materiales pétreos encontrándosele corrientemente en canteras y lechos de ríos depositado en forma natural.

• Piedra triturada o chancada.- Se denomina así, al agregado grueso obtenido por trituración artificial de rocas o gravas.

• Tamaño máximo.- Es el que corresponde al me-nor tamiz por el que pasa toda la muestra de agregado grueso.

• Tamaño nominal máximo.- Es el que corresponde al menor tamiz de la serie utilizada que produce el primer retenido.

• Homogeneidad de agregados.- Una mezcla de agregados es homogénea cuando cumple con los límites granulométricos establecidos en cada porción de la misma.

• Agregado denominado hormigón.- Es un agregado que se usa en la elaboración de concreto y que no esta contemplado en la presente norma. Se incluye solo como definición y corresponde a una mezcla natural de finos y gruesos.

• REQUISITOS• Requisitos obligatorios• Granulometría del agregado grueso.- Cuando se

determine de acuerdo con la norma ITINTEC 400.012, el agregado grueso deberá cumplir con la gradación establecida en la Tabla Nº1

• Granulometría del agregado fino.- Cuando se determine de acuerdo con la Norma ITINTEC 400.012, el agregado fino deberá cumplir con los límites especificados en la Tabla Nº 2.

• Sustancias dañinas.- Las sustancias dañinas, no excederán los límites especificados en la Tabla Nº 3.

TABLA Nº 2

GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO

TAMIZPorcentaje de Peso (Masa) que Pasa

Límites Totales C M F

9,50 mm (3/8") 100 100 100 100

4,75 mm (Nº4) 89-100 95-100 85-100 89-100

2,36 mm (Nº8) 65-100 80-100 65-100 80-100

1,18 mm (Nº16) 45-100 50-85 45-100 70-100

600 m (Nº30) 25-100 25-60 25-80 55-100

300 m (Nº50) 5-70 10-30 5-48 5-70

150 m (Nº100) 0-12 2-10 0-12* 0-12*

TABLA Nº 3

LÍMITES DE SUSTANCIAS DANINAS

Agregado fino

Agregado grueso

Partículas deleznables, máx. Porcentaje

3 5

Material mas fino que la malla ITINTEC 75 m (N° 200) máx. Porcentaje 5 1

Carbón y lignito, máx. Porcentaje

0.5 0.5

TABLA Nº 4

Resistencia mecánica de los agregados

Métodos alternativos No mayor que %

Abrasión (método los Ángeles) 50

Impacto 30

REQUISITOS

Requisitos complementarios• El agregado para concretos de f'c > 210 Kg/cm2 y

los utilizados en pavimentos de concreto deberán cumplir además de los requisitos obligatorios, los siguientes:

– Resistencia mecánica.- A la abrasión e impacto (Tabla Nº 4.)

Características físicas

Peso específicoEs el cociente entre el peso de las partículas dividido entre el volumen de los sólidos

Peso unitarioEs el cociente entre el peso de las partículas dividido entre el volumen total

Análisis granulométricoEs la representación numérica de la distribución volumétrica de las partículas por tamaños.

Módulo de fineza

Suma de los porcentajes retenidos acumulativos de la serie Standard hasta el Tamiz Nº 100 dividido entre 100.

Está demostrado que independientemente de la granulometría, los concretos con agregados de igual modulo de fineza, mantienen las mismas condiciones de trabajabilidad y resistencia.

Debe evitarse contaminaciones de manera similar al caso del agua.

Debe observarse los agregados reactivos con álcalis, para prevenir aparición de gel expansivo (algunas andesitas)

El agua y el cemento ocupan el 30% del volumen pero son los que principalmente condicionan el resultado final

El agua que interviene condiciona la porosidad del concreto y su comportamiento final