En ensayos de resistencia a la comprension

En ensayos de resistencia a la comprension


Investigadores:
Julio César Argueta Alvarado
Daysi del Carmen Acosta Orellana

Resumen


Las normas ASTM proponen en sentido estricto que para la evaluación de la calidad del concreto en función de su resistencia a la compresión se fabriquen muestras de forma cilíndrica cuyo diámetro sea de 15cm y su altura de 30cm (15x30). En la mayoría de los laboratorios del país dedicados al control de calidad de los materiales de construcción utilizan máquinas cuya capacidad máxima no excede en más de 250000 libras, el problema se da cuando se necesite ensayar concretos de altas resistencias como las de 450 o 500 kgcm², lo que supone que se genere una fuerza mínima de 175000 a 195000 libras con lo cual las máquinas se desarrollan a su mayor capacidad, generándose en consecuencia daños progresivos y a veces irreparables en su mecanismo.

En este caso, hemos analizado los resultados obtenidos en probetas cilíndricas de menor dimensión (10x20) con el fin de generar un menor esfuerzo en la máquina y determinar su relación con probetas de tamaño estándar elaboradas con la misma mezcla. Con esto logramos establecer una primera aproximación en cuanto a determinar un factor de conversión entre estos especímenes.

Palabras clave: resistencia a la compresión, probetas de concreto.

Introducción

Ya existen precedentes en cuanto a la investigación de especímenes más pequeños que el estándar para determinar la resistencia a la compresión y otras propiedades del concreto endurecido. Gonnerman¹ realizó investigaciones al respecto, relacionando las variables de forma y tamaño de los especímenes con respecto a su esfuerzo de compresión llegando a la conclusión de que el esfuerzo de compresión disminuye con incrementos de tamaño de los especímenes. Neville² estudió también el efecto de la forma y tamaño de los especímenes en el esfuerzo de ruptura de las probetas de concreto y sugirió una relación general entre el esfuerzo de compresión y la forma y tamaño del espécimen: (v/hd)+ (h/d) donde V = volumen del cilindro, h = altura del cilindro y d = dimensión lateral.

El Instituto Americano del Concreto (ACI), desarrolló una investigación bastante práctica al respecto utilizando especímenes de 10x20 cm. Se usó gravas de piedra caliza, gravas naturales y manufacturadas como agregado grueso y arena natural como agregado fino. Se trabajó diferentes relaciones agua/cemento (.33 a .87) y se realizó diferentes combinaciones de agregados pétreos para ser ensayados a los 7, 28, 42 y 91 días de madures y se compararon resultados con probetas curadas en el campo y en condiciones de laboratorio. Todos los resultados coincidieron en que las probetas de 6 x 12 pulgadas desarrollan un menor esfuerzo a la compresión que las probetas de 4 x 8 pulgadas. Las diferencias entre ambas probetas aumentan con incrementos en la resistencia del concreto.

Al final de los 28 días el cociente que se obtiene entre los esfuerzos obtenidos en los cilindros de 4 x 8 pulgadas con los de 6 x 12 pulgadas se encuentra entre el 84% y el 132%. En una cantidad apreciable de resultados los cilindros de 4x8 pulgadas tuvieron una densidad más alta que los de 6 x12 pulgadas.

De lo anterior puede observarse que la densidad, la forma y tamaño de los especímenes de concreto producen un efecto en los resultados de los ensayos de resistencia a la compresión del concreto.

Existen algunos inconvenientes con el uso de un molde de 4x8 pulgadas y son los siguientes: Los moldes de 4x8 pulgadas exigirán el uso de un concreto hecho con un agregado cuyo tamaño máximo no exceda de 1 ½ pulgada (37.5 mm) debido a que en la práctica los moldes deberán tener un diámetro de tres a cuatro veces el tamaño máximo nominal del agregado que será usado. Los cilindros de 4x8 pulgadas pesan alrededor de 9 libras (5 kilogramos) mientras que los cilindros de 6x12 pulgadas pesan alrededor de 29 libras (13 kilogramos). Usualmente los cilindros de 6x12 pulgadas son manipulados mal en el sitio de construcción; moverlos de un lugar a otro mientras está en las primeras etapas del fraguado podría ocasionar daños en las probetas y proporcionar un mal resultado a la hora de ser ensayadas. Con la utilización de probetas de 4x8 este problema podría incrementarse debido a su facilidad de movilización.

En la mayoría de los laboratorios del país dedicados al control de calidad de los materiales de construcción se utilizan máquinas de resistencia a la compresión del concreto cuya capacidad máxima no excede en más de 250000 libras, son pocas las instituciones que cuentan con equipos de mayor capacidad como las máquinas universales, se llaman así porque se pueden realizar ensayos de fluencia del acero, elongación, doblado así como pruebas de flexión, tensión y compresión en el concreto. Estas máquinas pueden hacer estallar fácilmente concretos de 975 kg/cm² (en probetas estándar esto equivale a 380000 libras). El problema de utilizar máquinas de menor capacidad se da cuando se necesite ensayar concretos cuyas resistencias oscilen entre los 450 o 500 kg/cm², lo que supone que se genere una fuerza mínima de 175000 a 195000 libras en probetas de tamaño estándar, con lo cual las máquinas se desarrollan a su mayor capacidad, generándose en consecuencia daños progresivos y a veces irreparables en su mecanismo.

La razón de investigar la relación existente entre los resultados de resistencia a la compresión de una probeta estándar (15x30) con probetas de igual forma y relación altura – diámetro pero con una reducción en su volumen de aproximadamente el 70% (10x20) era minimizar el daño que se produce en la máquina al ensayar concretos de resistencias mayores a los 400 kg/cm² y determinar un factor de conversión, el cual debe aplicarse a las probetas de 10x20 para un resultado como si se hubiese utilizado probetas de 15x30.

Llamamos resistencia a la compresión, a la capacidad última de carga que puede soportar una muestra de concreto con dimensiones bien definidas, y se calcula dividiendo la fuerza que hizo fallar la muestra de concreto entre el área transversal de la misma, por lo que los resultados están dados en unidades de presión.

Nuestra hipótesis de trabajo fue: “Mediante el uso de probetas cilíndricas de 10 cm de diámetro y 20 cm de alto en ensayos de resistencia última del concreto, se lograría desarrollar un menor esfuerzo en los equipos de prueba en comparación con las probetas de dimensiones estándar”.

En efecto se obtuvo este resultado determinándose que la relación entre las probetas de 10x20 respecto a las de 15x30 se encuentra en un promedio del 50%.

Materiales y método Tipo de estudio: La investigación se desarrolló aplicando el método científico con un enfoque descriptivo experimental, apoyándose en datos estadísticos generados a partir de ensayos de laboratorio.

Muestra: 180 probetas de concreto de 10x20 y 180 probetas de concreto de 15x30.

Técnicas e Instrumentos La información fue recopilada de la siguiente forma:

Técnica documental: Referida al procedimiento de innovación, organización e interpretación de información sobre el tema basado en la revisión de normas ASTM, reglamento ACI, documentos del ISCYC, y manuales, entre otros.

Técnica experimental:
1.Participantes El trabajo fue responsabilidad de los ingenieros civiles: Julio Cesar Argueta Alvarado, Administrador del Laboratorio de Suelos y Materiales y de Daysi del Carmen Acosta Orellana, docente de la Universidad.
2.Auxiliares para la realización de los ensayos: Fredy Francisco Orellana y Edwar Sorto
3.Recursos materiales Grava Nº 1
Arena natural
Cemento Portland tipo I
4.Aparatos e Instrumentos Máquina de compresión AKUTEC
Placas metálicas para cabeceo
Almohadillas
Mezcladora de 1 bolsa
Carretilla
Batea
Cono y base de revenimiento
Moldes metálicos de 10 cm de diámetro y 20 cm de alto
Moldes metálicos de 15 cm de diámetro y 30 cm de alto
Aceite
Juego de mallas
Horno
Balanza de servicio pesado
Balanzas de precisión
Capsulas para contenidos de humedad
Recipientes para pesos volumétricos

La información recopilada fue procesada en los software Microsoft Word (manejo de texto), Excel (manejo de gráficos), SPSS (manejo de tablas y bases de datos) y se utilizó la estadística descriptiva para la interpretación de los datos.

Los agregados pétreos utilizados en esta investigación procedieron de la mina de Aramuaca, ubicada sobre el Km. 149, carretera a La Unión, cantón El Rebalse, San Miguel. La grava utilizada fue la clasificada como grava Nº 1 y arena natural. Antes de realizar un diseño de mezcla para establecer las proporciones de los componentes del concreto fue necesario determinar algunas propiedades físicas de los agregados tales como: Agregado Grueso: 1. Peso volumétrico varillado 2. Tamaño máximo del agregado 3. Peso especifico (o gravedad específica) 4. Absorción 5. Contenido de humedad

Agregado fino: 1. Peso volumétrico varillado 2. Peso específico (o gravedad específica) 3. Absorción 4. Contenido de humedad 5. Módulo de finura

Otros datos a utilizar para la elaboración del diseño de mezcla fueron: 1. Tipo de cemento y su peso específico, en nuestro caso se utilizó cemento CESSA tipo I 2. Resistencia a la compresión que se deseaba obtener (se trabajó con una resistencia a la compresión especificada de 300 kg/cm²). El diseño de mezcla que se utilizó fue de 300 kg/cm² debido a que al ensayar el concreto hasta hacerlo fallar, muchos resultados fácilmente podrían llegar hasta los 400 kg/cm², y en efecto así fue, el 60% de los resultados a los 28 días de edad fueron superiores a los 350 kg/cm². 3. Si el concreto incluiría aire o no. En nuestro diseño no se incluyó aire en la mezcla. 4. Consistencia deseada (medida por el asentamiento en la prueba del cono de Abrams) se trabajó con un revenimiento de 4 pulgadas. 5. La relación agua/cemento fue de 0.5

Para el diseño de mezcla se utilizó el método del ACI 211.1-91 “Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete”.

De igual manera se tomaron las consideraciones propuestas por el ACI 318-02 “Building Code Requirements for Structural Concrete” específicamente el capítulo Nº 5 el cual trata sobre la calidad, mezclado y colocado del concreto. Aquí se describe cuantas pruebas son las necesarias para realizar un estudio representativo de los resultados en la compresión de los cilindros de concreto, y algunas consideraciones sobre la resistencia de diseño de entrada si ya se poseen estadísticas de resultados previos o no.

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