Agregados para mezclas de hormigón y de asfalto

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Hormigón y asfalto son materiales de construcción más común utilizados hoy en día. El hormigón es un material compuesto de cemento, agua, aire, agregados gruesos y agregados finos. Agregados finos son por lo general arenas y agregados gruesos son naturales o rocas. También se utilizan aditivos químicos para modificar ciertas propiedades específicas (es decir, superplastificantes para hacer el líquido concreto durante el vaciado). Mezclas asfálticas consisten principalmente en asfaltos, agregados gruesos y agregados finos, además de un número de emulgentes y otros aditivos utilizados para mejorar la viscosidad durante la colocación.

En mezclas concreto y asfalto, agregados conforman una parte muy significativa del volumen de mezcla, como economía requiere que se minimice la cantidad de cemento y asfalto. Comúnmente se reconocen dos tipos de agregados: los agregados gruesos, definidos como partículas mayores de unos 4,75 mm (rocas) y agregados finos, que consiste en partículas más pequeñas (las arenas). Otras características importantes de los agregados son que ser rígida, durable y químicamente inerte con respecto al mortero de cemento o asfalto. Agregados se piensan para ser relleno, pero no están destinados a jugar un papel clave en el comportamiento de cualquier material. Sin embargo, la rigidez y resistencia de los agregados debe ser mayor que el mortero de cemento o asfalto, para no ser la fase de control.

Para un rendimiento eficaz, varias características de los agregados, que van desde sus propiedades mecánicas y químicas para su distribución de tamaño, deben tomarse en cuenta en conjunto diseño de mezclas. Por otra parte, ambas mezclas de concreto experimentan comportamiento muy diferente cuando se coloca, con los materiales que se asemejan a un fluido newtoniano y cuando en su configuración endurecido, con los materiales que se asemejan a un sólido elástico. Además en el caso del asfalto, el rango de temperatura de servicio es muy importante, ya que las propiedades de los asfaltos son dependientes de la temperatura dentro del rango de temperatura de servicio habitual.

En este laboratorio, se examinarán las propiedades básicas de los agregados que se necesitan para desarrollar diseños de mezcla concreto exitoso. Las propiedades necesarias para asfaltos son muy similares, pero a veces utilizan diferentes técnicas de prueba. Las principales características que vamos a analizar son la distribución de tamaño, gravedad específica, absorción, contenido de humedad y densidad aparente, todo lo cual será descrito y medido en este ejercicio de laboratorio. Otras características importantes que no se abordarán en este módulo son la forma y angulosidad de las partículas, resistencia al impacto y abrasión, estabilidad química, así como la solidez y presencia de compuestos orgánicos nocivos.

Como agregados se utilizan principalmente como relleno y son relativamente baratos, es importante que ocupen tanto volumen como sea posible para reducir al mínimo el volumen de la pasta. En el caso de mezclas de concreto, debe lograrse una distribución de tamaño apropiado en orden para el volumen de pasta a minimizarse. Una distribución uniforme (partículas de tamaños similares) requieren más pasta para llenar los vacíos que correctamente clasificados (partículas de muchos tamaños) agregado. Un agregado correctamente graduado contiene partículas de todos los tamaños que necesita muy poco espacio ser llenado por la pasta. Adicionalmente, la distribución de tamaño de partículas tiene una gran influencia en las propiedades del hormigón fresco, incluyendo su fluidez, o la capacidad para ser colocado fácilmente en formas y acabado o la capacidad para obtener una superficie plana con buena características de la portabilidad.

A través de muchos años de experiencia de campo y pruebas de laboratorio, se han desarrollado curvas de gradación como rangos recomendados para la clasificación de los agregados gruesos y finos. En estas curvas, el eje horizontal se refiere a la granulometría, con agregados finos o arenas en agregados izquierdos y gruesos (o rocas) está a la derecha. El eje vertical representa el porcentaje acumulado de partículas menores que el tamaño del dado. Por razones prácticas, la distribución óptima se especifica como rangos. Por ejemplo, arena muy fina debe tener como máximo 85% de sus partículas con un tamaño de no.16 (1,118 mm) o por debajo, mientras que arena muy gruesa debe tener como máximo el 55% de sus partículas por debajo de este tamaño. Mezclas agregadas prácticas así tendrá cerca de 55% a 85% de sus partículas pasan el tamiz de 1.18 m m.

Para ambos tipos de agregados, estos rangos se definen mediante la ejecución de pruebas tamiz con tamices de tamaños estándar especificado y en orden decreciente de las aberturas del tamiz con el fin de determinar las cantidades de agregados de un tamaño determinado y su distribución acumulativa. El tamiz más pequeño por el cual la cantidad total de pasos agregados se llama el tamaño máximo del agregado, mientras que el tamiz a través del cual el 95% de las pasadas agregados da el e siz máximo nominaldel agregado. Una importante relación que se oculta dentro de las curvas de gradación es que la superficie total de los agregados deberá ser cubierto con agua durante la mezcla para obtener la trabajabilidad adecuada. Si hay demasiadas partículas finas, la superficie es alta, y mucha agua se utilizará para recubrimiento de las partículas, resultando en una mezcla de hormigón rígida que es más difícil de colocar.

Para los agregados finos, un módulo de finura (FM) se calcula a menudo. El módulo de finura se define como la suma de los porcentajes retenidos por el peso de la nº 4 a los tamices no. 100, dividido por 100. Valores típicos para el rango de módulo de finura de unos 2.3 a 3.1, con más antiguo compuesto de partículas finas y el último de las partículas más gruesas. La FM puede variar grandemente con la aplicación. Por ejemplo, la FM puede ser tan bajo como 1.8 para uso en morteros de albañilería, que no contienen agregado grueso y que requieren un mayor acabado.

Diseños de mezcla de hormigón son muy susceptibles al contenido de agua, y puesto agregados gruesos y finos se almacenan típicamente en la abierta y expuesta al viento y la lluvia, es necesario a cuenta incluso trazas de agua presente en el agregado. Generalmente se reconocen cuatro condiciones ambientales. La condición seca de horno , como su nombre indica, se produce después el agregado ha sido colocado en un horno por un tiempo suficientemente largo y alta temperatura, tal que toda el agua se haya evaporado. La condición de secar al aire se presenta cuando algunos, pero no todos los poros internos están llenos. La condición de saturada superficie seca (SSD) se presenta cuando todos los poros internos están saturados, pero la superficie está seca. La condición SSD es el utilizado como referencia para el diseño de la mezcla y se logra sumergiendo los agregados en el agua hasta que se saturan los poros internos y luego secado de la superficie de las partículas. Esto se puede hacer con un poco de esfuerzo para el agregado grueso pero es muy difícil de hacer para los agregados finos como es imposible conseguir la superficie de todas las partículas de arena seca sin necesidad de sacar el agua de los poros internos. Alternativamente, el SSD para agregado fino puede ser medido con la prueba de slump como se describe en la sección de protocolo. Para ello un molde cónico es rellenas de arena o agregado y entonces lleno. El molde es volteado y eliminado. Si cae un poco, es en la condición SSD. Si el molde tiene su forma, el agregado es en condiciones húmedas o mojadas . Las condiciones húmedas o mojadas se produce después de que el agregado ha sido sumergido en agua durante tiempo suficiente que se saturan los poros internos, y la superficie está mojada. En la práctica, los agregados serán en mojado (demasiada agua) o aire seco (poca agua) con respecto al diseño condición SSD. Por lo tanto, antes de la mezcla, la cantidad de agua necesita ser ajustado.

Aunque la gama de contenidos de humedad del horno seco a mojado es pequeña (sobre todo en el rango de 4 a 6%), la cantidad de agregados en una mezcla de hormigón típico son mucho mayores que las del agua, a menudo en el rango de 25 a 1. Por lo tanto, incluso una pequeña diferencia en el contenido de agua por ciento de los agregados puede tener un efecto enorme sobre el total de agua que debe añadirse para mantener una cierta relación agua-cemento, la variable principal utilizada para controlar la fuerza y la durabilidad de las mezclas concreto. La capacidad de absorción de un agregado se define como:

(EC. 1)

El contenido de humedad de una muestra de peso W se define como:

(EC. 2)

La densidad a granel se define como el cociente de la masa de una unidad de volumen de agregado, incluyendo el agua en huecos, a la masa de un volumen igual de agua destilada libre de gas a la temperatura indicada. Esto está en contraste con la gravedad específica aparente, que tiene una definición similar pero no incluye el volumen de agua en los vacíos. La densidad a granel es una característica agregada importante porque mezclas a menudo se especifican por volumen o peso de los componentes, y por lo tanto, es fundamental para poder ir desde un conjunto de medidas a otro. Valores de gravedad específica se hace referencia como en el secado en horno o en la condición seca superficie saturada. En el caso anterior, la densidad a granel es la masa de horno-seco dividida por la masa de un volumen de agua igual al volumen agregado SSD. En este último caso, la densidad a granel SSD es la masa de superficie seco saturada dividida por la masa de un volumen de agua igual al volumen agregado SSD. Agregados la mayoría tienen una densidad a granel SSD entre 2.3 y 3.0.

Otras características claves que afectan la elección de fuentes de agregados son inercia química y resistencia al desgaste. Inercia química es deseable para evitar problemas como sulfato ataque y silicato del álcali reacciones, que han ocasionado pérdidas considerables en el pasado, ya que son problemas que muchos años después fue echado el hormigón la superficie. Resistencia al desgaste se refiere a la capacidad de las partículas de agregado para resistir el deterioro de peatones y vehículos sin desgaste indebido o berrea. Pruebas de estas características están más allá del alcance de este laboratorio y no se discutirá.

Contenido de humedad y gravedad específica (para agregado fino)

1. Obtener aproximadamente 1 kg al aire agregado fino (arena) y colóquelo en una bandeja de metal plana. La arena debe secarse en un horno a temperaturas superiores a 220° F por al menos 24 horas evaporar toda el agua.
2. Llevar el árido fino a la condición SSD rociar unas gotas de agua sobre la arena al aire y mezcla bien.
3. Pulsado un molde cónico firmemente en la bandeja de metal plana de gran diámetro.
4. Colocar sin apretar una porción de la arena en el molde llenando hasta el punto de desbordamiento, luego arena adicional montón encima de la parte superior del molde.
5. Apisonar ligeramente la arena en el molde con 25 gotas de luz de la varilla de apisonamiento. Iniciar cada gota aproximadamente 0,2 pulgadas sobre la parte superior de la arena. Permitir que la barra caiga libremente en cada gota. Ajustar la altura inicial a la nueva elevación de la superficie después de cada gota y distribuya las gotas sobre la superficie.
6. Suelta de la arena de alrededor de la base y retire el molde levantándolo verticalmente. Cuando la arena cae ligeramente indica que ha llegado a una condición seca superficie saturada. Si el cono conserva su forma de molde, la arena es todavía en un estado húmedo y el proceso necesita ser repetido utilizando menos agua. Este es un procedimiento de ensayo y error.
7. Tomar aproximadamente 400 g de la SSD agregada. Peso exacto registro de SSD muestra (D).
8. Llenar un frasco con 500 mL de agua y registre el peso del agua y el matraz en gramos (B). La temperatura del agua debe ser alrededor de 73 ± 3^oF (23 ± 1,5^oC).
9. Vaciar el agua del frasco y añadir toda la muestra de arena de SSD en el matraz. Llene el matraz con agua hasta aproximadamente 1/2 pulgadas por encima del agregado. Aplicar vacío y acción de balanceo para eliminar el aire atrapado en el agregado. Esta acción tendrá por lo menos 5 minutos.
10. Llenar el matraz con agua hasta la marca de 500 mL. Registrar el peso total (en gramos) del matraz más agua más el agregado (C).
11. Calcular la gravedad específica Bulk (SSD) basado en los pesos B, C, D y comparar el valor calculado con el valor típico para que los datos obtenidos sean exactos.
12. Vierta todo el contenido del matraz en un recipiente y coloque en el horno. Puede utilizar agua adicional según sea necesario lavar el agregado del frasco. Después de 24 horas y medir el peso del agregado secado en horno (A).

Análisis de tamiz (para agregado fino)

1. Obtener el adecuado peso de agregado seco. Para agregado fino, use unos 400 gramos.
2. Montar 8" diámetro de tamices de tamaño en el siguiente orden: #4, #8, #16, #30, #50, #100, pan.
3. Colocar los agregados en la parte superior de la pila de tamiz y cubrir con la tapa. Correctamente Asegure los tamices en el agitador mecánico y encienda el agitador durante 5 minutos.
4. Pesar los materiales retenidos en cada uno de los tamices, incluido el peso retenido en la bandeja y registro en la hoja de datos. Si no es la suma de estos pesos dentro de 0.1% veces el número de tamices utilizados (0.6%) del peso original de la muestra, el procedimiento debe repetirse. Por otra parte, utilizar la suma del peso retenido en la bandeja para calcular el porcentaje retenido en cada tamiz.
5. Calcular el porcentaje acumulado retenido en y el porcentaje que pasa cada tamiz. Trazar las curvas de gradación de los agregados finos del experimento en la tabla de gradación como se muestra a continuación en el diagrama de ejemplo a continuación.
6. Calcular el módulo de fineza del agregado fino.

Tabla 1: Datos de prueba de humedad de agregados finos

De los datos anteriores (cuadro 1), los valores de gravedad específica y absorción se calculan como sigue (tabla 2):
Gravedad específica aparente (seco) = A / (A + B-C)
A granel de densidad (seca) = A / (B + D-C)
A granel gravedad específica (SSD) = D / (B + D-C)
Absorción = ((D-A) / A) x 100%

Tabla 2: Resumen de resultados de la prueba de humedad

La tabla 3 ilustra el cálculo del módulo de finura. Una interpretación del módulo de fineza puede ser que representa el tamiz promedio (ponderado) del grupo sobre el cual se conserva el material, no. 100, siendo la primera, no. 50 la segunda, etcetera. Así, para la arena con un FM de 3.00, tamiz Nº 30 (el tercer tamiz) sería el tamaño del tamiz promedio sobre el cual se conserva el agregado. En nuestro caso, un módulo de fineza de 2.92 indica que hay muchas partículas finas en la muestra global, como un módulo de finura alto indica que muchas partículas fueron atrapadas en los tamices más pequeños.

Tabla 3: Cálculo de muestra para determinar el módulo de finura

Módulo de finura de la arena = % acumulado retenido/100
= (12.2+28.5+40.7+54.9+73.2+93.5)/100 = 3.02
* tamiz de #200 no se incluyera en computación de la FM.

Tres características importantes de los agregados utilizados en mezclas de concreto se examinaron en este ejercicio de laboratorio. La primera es la capacidad de absorción y contenido de humedad. Estas cantidades son necesarios para determinar correctamente la cantidad de agua que se añade a una mezcla de hormigón. La segunda característica es la gravedad específica. Este valor es necesario porque a veces es necesario ir de volúmenes a pesos y viceversa en la dosificación de mezclas de concreto. La tercera característica es la distribución de tamaños o gradación. Una adecuada gradación de un agregado en una mezcla de hormigón de cemento Portland es deseable para asegurar la trabajabilidad de la mezcla de hormigón y la economía en el uso del cemento. Para asfalto, hormigón, conveniente gradación no sólo afectan la trabajabilidad de la mezcla y la economía en el uso de asfalto, sino que también será significativamente afecta la resistencia y otras propiedades de la integradas.

En el diseño de mezclas de hormigón y asfálticos, siempre es deseable maximizar el uso de agregados finos y gruesos, como son el componente menos costoso de estas mezclas. Mezclas de concreto se utilizan en muchos proyectos de construcción, que van desde la construcción de puentes para las centrales eléctricas e instalaciones industriales. Uso apropiado de la gradación, contenido de humedad y el módulo de fineza resultará en proyectos de infraestructura durable y eficiente.