Este artículo presenta una síntesis de los resultados experimentales obtenidos al ensayar la evolución de la resistencia a la compresión en concretos hechos con distintos tipos de cemento modificados, a diferentes edades. Se incluye la caracterización de dos agregados de procedencias distintas (río y tajo) y tres tipos de cemento modificado. Los tipos de cementos ensayados corresponden al MM/C(P-C)-28, MM/C(C-P)-28 y MC/A-AR. El objetivo del estudio fue generar las curvas estándar de desarrollo de resistencia de seis mezclas de concreto usando estos tipos de cementos y agregados. Las pruebas de caracterización se llevaron a cabo siguiendo los estándares del Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO) con su correspondencia en la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM). El curado de especímenes de concreto se realizó en cámara húmeda a 4 edades diferentes (3, 7, 28 y 56 días). La resistencia del concreto se obtuvo por medio de ensayos en la Máquina Universal, posteriormente, se procesó y validó estadísticamente los resultados, utilizando los parámetros de aceptación del informe del Instituto Americano del Concreto (ACI 214R-11R-2011). A partir del análisis realizado, se logró generar las curvas de desarrollo estándar de resistencia para todos los tipos cementos en estudio, según dos procedencias de agregados e incluyendo un análisis estadístico inferencial para los resultados de resistencia de los concretos. Se concluyó que, al variar la procedencia del agregado para un mismo cemento, su resistencia es significativamente diferente (en términos estadísticos), al igual que para un mismo agregado, cuando se cambia el tipo de cemento.
This paper presents a synthesis of the experimental results obtained from testing the evolution of the compressive strength in concrete made with different modified types of cement at different ages. It includes the characterization of two aggregates of different provenances (river and quarry) and three types of modified cement. The types of cement tested correspond to MM/C (P-C) -28, MM/C (C-P) -28 and MC/A - AR. The objective of the study was to generate the standard resistance development curves of six concrete mixtures (in percentage terms), using these types of cement and aggregates. The characterization tests were carried out following the standards of the Institute of Technical Standards of Costa Rica (INTECO) with its correspondence in the American Society of Tests and Materials (ASTM) The curing of concrete specimens took place in a humid chamber at 4 different ages (3, 7, 28 and 56 days). The strength of the concrete was obtained through tests on the Universal Machine, and the results were processed and validated statistically, using the acceptance parameters of the ACI 214R-11R-2011 report. From the analysis, it was possible to generate the curves of standard development of resistance for all the types of cement under study using two provenances of aggregates, including an inferential statistical analysis for the resistance results of the concretes. It was concluded that, by varying the origin of the aggregate for the same cement, the resistance of the concrete is significantly different (on statistical terms), as for the same aggregate when the type of cement is changed.
La hidratación del cemento es la reacción química que da lugar al endurecimiento del concreto, por lo que maximizar la calidad de este material ha sido uno de los retos de la ingeniería de materiales, desde que inició su utilización masiva, a finales del siglo XIX. Esta investigación se basó en el estudio de la evolución de la resistencia de concretos hechos con cementos modificados, en función del tiempo de curado. Por cemento modificado, se debe entender aquel que resulta de la combinación de clínker tipo I más yeso, y una o varias adiciones minerales que pueden ser caliza, puzolana, escoria de alto horno o humo de sílice.
En Costa Rica, con la aprobación del Reglamento Técnico RTCR 479:2015
Hoy día se carece de información relativa al comportamiento de estos cementos cuando se combinan con agregados de diferentes características. A solicitud del cliente, las cementeras y los importadores pueden aportar información sobre el comportamiento del cemento en cuanto a evolución de resistencia, no obstante, más allá de esto, lo que interesa a los constructores de este país es cómo es ese comportamiento cuando se combina con agregados de uso comercial.
La importancia de este proyecto radica en el aporte de conocimiento sobre el desarrollo de la resistencia del concreto cuando se emplea un cemento modificado con agregados nacionales. Considerando las características de los materiales, es posible obtener curvas de desarrollo estándar que sirvan para hacer proyecciones de resistencia en el tiempo, a partir de las resistencias obtenidas a edades tempranas.
Se estudió el desarrollo de resistencia a compresión simple en mezclas de concreto hidráulico usando tres tipos de cemento:
Tipo MM/C (P-C)-28: Cemento hidráulico modificado mixto conteniendo una cantidad de ceniza volante (P) y de caliza (C) entre el 36% y el 55% en masa, y de clase de resistencia 28.
Tipo MM/C (C-P)-28: Cemento hidráulico modificado mixto conteniendo una cantidad de caliza (C) y de ceniza volante (P) entre el 36% y el 55% en masa, y de clase de resistencia 28.
Tipo MC/A-AR: Cemento hidráulico con caliza, con un contenido entre el 6% y el 20% en masa de caliza (C) y de clase de resistencia AR (alta resistencia inicial).
Las combinaciones de agregado y cemento se detallan en el Cuadro 1.
Cada vez que se realizó una mezcla de concreto, se obtienen sus características (contenido de aire, temperatura, densidad y asentamiento), con el propósito de ampliar la información del material resultante. El procedimiento se realizó como lo requiere la norma INTE C39:2018,
Esta investigación no considera variar parámetros como el vibrado, el método de fabricación, la relación de agua/cemento (a/c), la calidad del agua o el uso de aditivos.
Analizar los resultados a compresión de concreto hidráulico en función del tiempo de curado por medio de ensayos de laboratorio para cementos modificados y agregados del mercado nacional para identificar su comportamiento en la evolución de su resistencia.
Caracterizar los agregados y cementos a utilizar en la fabricación de concreto por medio de ensayos de laboratorio.
Realizar un análisis estadístico a los datos de compresión del concreto hidráulico para verificar la confiabilidad de los resultados obtenidos.
Generar curvas de desarrollo porcentual de resistencia a la compresión simple del concreto hidráulico para las edades de 3 días, 7 días, 28 días y 56 días para las diferentes combinaciones de cementos y agregados.
Determinar las características principales del comportamiento de la resistencia de los concretos a partir de las gráficas generadas.
Mediante una investigación de documentos relacionados con el tema de estudio se establece el marco conceptual y la metodología para desarrollo del proyecto. Se recopilaron las normas ASTM requeridas para todos los ensayos y sus homólogas normas INTECO para realizar una caracterización completa de los materiales, seguir un procedimiento para diseño de mezcla de concreto hidráulico, moldeo de concreto fresco, resistencia de concreto endurecido, realizar el tratamiento estadístico y observar las tendencias de los resultados experimentales obtenidos.
Para esta investigación el cemento se caracterizó mediante los siguientes ensayos de laboratorio:
INTE C139:2018
INTE C137:2019
INTE C141:2018
INTE C142:2018
INTE C57:2018
Con la finalidad de generar valores promedio y obtener mayor validez estadística, se contó con varias réplicas para cada ensayo: 10 réplicas para los ensayos de consistencia normal y finura del cemento, 7 réplicas para los ensayos de tiempo de fragua y 8 réplicas para los ensayos de densidad del cemento. Con respecto a la resistencia a la compresión de cemento hidráulico, se realizaron 12 cubos de mortero por cada tipo de cemento y se obtiene la resistencia para grupos de 3 especímenes para las mismas edades de falla que las de los concretos para contrastar el desarrollo de resistencia del cemento (mediante los cubos de mortero) con la resistencia del concreto hidráulico al utilizarlo en combinación con los agregados.
El muestreo del cemento se ejecutó en concordancia con la norma INTE C153:2018
Para la caracterización de los
Con la finalidad de establecer la desviación estándar de la muestra (a partir del material almacenado y corregido) y una vez definida la granulometría a usar (de donde también se determinó el módulo de finura para ambas fuentes), se realizaron 8 muestreos aleatorios para cada tipo de agregado. Posteriormente, se realizaron 3 réplicas de cada uno de los siguientes ensayos:
INTE C58:2013
INTE C68:2016
INTE C69:2016
INTE C59:2015
INTE C64:2017
INTE C29:2016
Para llevar a cabo la toma de muestras se siguió la norma INTE C67:2015
Para llevar a cabo la reducción de muestras, se siguió la norma INTE C62:2015
Siguiendo el procedimiento establecido por la INTE C18-2016
El análisis estadístico de los datos se basó en lo propuesto por el informe ACI 214R-11R
Para poder probar la hipótesis de que la resistencia del concreto es diferente al variar la procedencia del agregado y del cemento, se hace necesario el uso de herramientas de estadística inferencial. Las pruebas de análisis de varianza (ANOVA, por sus siglas en inglés) requieren que los datos empleados sigan una distribución normal. Si bien el informe ACI 214R-11R-11 permite la suposición de que los resultados de resistencia del concreto a los 28 días siguen una distribución normal, en este trabajo se probó esta condición a partir de las pruebas de normalidad de Jarque-Bera.
Una vez probada la normalidad de los datos, se aplicó una prueba de análisis de varianza de 1 factor, buscando responder la hipótesis nula (si las medias de ambos grupos son distintas). En estos cálculos, la media correspondió a la resistencia a la compresión y los grupos, a concretos hechos con el mismo cemento y diferente tipo de agregado. De igual forma, se probó si la media de los grupos es significativa al variar el tipo de cemento para un mismo tipo de agregado. Finalmente, se realizó una prueba a las 6 muestras, con el propósito de conocer si había al menos 2 que no fueran significativamente diferentes. Esta consistió en una prueba de Tukey, que compara, a través de permutaciones de las muestras, si cada una es significativamente diferente a las demás. Lo anterior permitió un análisis de cada caso y amplió la comprensión del efecto de las adiciones minerales en el cemento y, por ende, en la mezcla, cuando varía la procedencia del agregado.
La resistencia analizada en la prueba de análisis de varianza es la correspondiente a 28 días de edad, pues los resultados de los Cuadros 2 y 3 son generalizables solo para esta edad (ACI 214R-11R-11).
Se realizó una caracterización de los agregados y cementos. Para el ensayo de granulometría, se realizaron 8 réplicas con el fin de obtener la desviación estándar entre muestras, mientras que, para los demás ensayos de caracterización, se realizaron tres ensayos.
Para los agregados finos, en el cuadro 4, se muestran los resultados experimentales de la caracterización de los agregados para los ensayados indicados para ambas procedencias, tanto de río como de tajo. En el cuadro 5 se aprecia el análisis granulométrico del promedio de las muestras.
Para el caso de los agregados gruesos, los cuadros 6 y 7 muestran las características físicas ensayadas.
Los resultados experimentales de la caracterización de los cementos se detallan en el cuadro 9. Para determinar la resistencia a la compresión de los cementos se utilizan especímenes cúbicos de 50mm de lado. Los moldes para su fabricación fueron comprobados para garantizar sus requerimientos técnicos.
Siguiendo el procedimiento descrito en INTE-C39:2018, se obtuvo la resistencia de los concretos ensayados. Con la finalidad de obtener la tasa de desarrollo de resistencia del concreto, esta se expresó en términos porcentuales, tomando la resistencia a los 28 días como la resistencia al 100 %. En la Figura 1, se muestran los resultados de los concretos hechos con cemento MM/C (P-C)-28. Con el fin de aislar la influencia de los agregados, se muestra también la resistencia porcentual obtenida por cubos de mortero, a esas mismas edades.
En las Figuras 2 y 3, se muestran los resultados de concretos hechos con los cementos MM/C (C-P)-28 y MC/A-AR, respectivamente.
En el Cuadro 10, se muestran los estadísticos descriptivos de la resistencia a la compresión a los 28 días de edad, para las 6 mezclas de concreto ensayadas. Como se indica, se utiliza la resistencia a los 28 días, pues los resultados del Informe ACI 214R-11R son válidos únicamente para esta edad. En el caso de que la resistencia fuera mayor a 34.5 MPa, se usó el coeficiente de variación, en lugar de la desviación estándar. La clasificación de la calidad estadística de los resultados fue dada a partir del valor de la desviación estándar o del coeficiente de variación, según aplicara.
Esto no fue así para las pruebas de análisis de varianza Anova, que exigen muestras del mismo tamaño. El Cuadro 11 ofrece los resultados de la prueba de Tukey (en la que se compararon las 6 mezclas de concreto) y permite responder la siguiente pregunta: ¿Existe una diferencia significativa entre las resistencias de cada una de estas mezclas de concreto, si se las compara una a una?
Como se observa, solamente en el caso de las mezclas A1 y A6 no existe una diferencia en el resultado de la resistencia, al variar la procedencia del agregado y el tipo de cemento.
La repetitividad realizada a los ensayos de laboratorio permite obtener una mayor confiabilidad sobre los valores finales de caracterización o determinación de resultados.
Según la caracterización de los agregados mostrada en el cuadro 4 al cuadro 7, los valores obtenidos indican que los agregados se encuentran dentro de los parámetros de aceptación para considerarles adecuados para mezclas de concreto al comparar los resultados con lo establecido en la norma INTE C15: 2018 (
En el cuadro número 5, se muestran los análisis granulométricos y su respectiva desviación estándar para los dos tipos de agregados finos a utilizar, para ambos casos se evidencia cumplimiento a la norma INTE C15:2018.
Para los agregados gruesos, el cuadro 6 indica las propiedades físicas y el cuadro 7 muestra los respectivos análisis granulométricos. Para el caso del agregado grueso de río, específicamente en el tamiz con abertura de 9.5 mm, el porcentaje pasando es ligeramente superior a lo establecido en la especificación INTE C15: 2018.
Respecto a los cementos utilizados, el cemento tipo MM/C (C-P)-28 cumple con las especificaciones de resistencia a la compresión para todas las edades estandarizadas y tiempo de fragua según lo establece la norma INTE C147:2018. Para el caso del cemento tipo MM/C (P-C)-28 hay un incumplimiento de 1.3 MPa y 0.5 MPa para las edades de 7 días y 28 días respectivamente al comparar los resultados de compresión. El cemento tipo MC/A-AR presenta un incumplimiento de 2.6 MPa en sus resistencia a los 7 días.
Las figuras 1, 2 y 3, permiten apreciar la similitud de en las gráficas al utilizar cada uno de los tipos de cementos con las variantes de agregado al fabricar concreto y pastas de mortero estándar en función a su porcentaje de resistencia a los 28 días. Los resultados sugieren que el desarrollo de resistencia (en términos porcentuales) no depende de la procedencia del agregado, sino más bien del tipo de cemento. Comparando los porcentajes de resistencia obtenida a los 7 días por los concretos, el desarrollo de resistencia es muy similar. Para la edad de 7 días la mayor diferencia de porcentaje de resistencia entre los concretos elaborados con un mismo tipo de cemento corresponde a solamente un 3%. Las variaciones entre las resistencias del concreto y mortero son mayores, para el cemento tipo MM/C (P-C) -28 la diferencia obtenida para la edad de 7 días corresponde a un 6%, la misma comparación para el cemento MM/C (C-P)-28 indica un valor de 4%. Para el caso del cemento MC/A-AR, la diferencia a 7 días presenta el mayor valor con un 13%. El mismo análisis para la edad de 56 días indica que la variación máxima entre concretos fabricados con el mismo tipo de cemento corresponde con un valor de 6%. Para el caso de la comparación entre la resistencia del concreto y el mortero para los cementos, la diferencia se reduce a un 7%, siendo el cemento MC/A-AR que inicialmente demuestra la mayor variabilidad el que finalmente reduce su diferencia porcentual.
Para el tipo de cemento MC/A-AR, se observa una diferencia de aproximadamente un 13% en los valores de resistencia entre los especímenes de concreto fabricados con diferentes tipos de agregados y el mortero estándar.
En las figuras 1, 2 y 3, se aprecia cómo, en las edades iniciales, la pasta de mortero presenta un desarrollo levemente más rápido de la resistencia en contraste con el de concreto, sin embargo, en edades avanzadas, esta resistencia tiende a igualarse con la de los concretos (independientemente de la adición mineral).
Según se planteó en la hipótesis, los porcentajes de proyección de la resistencia no difieren entre una mezcla de concreto y otra (variando el tipo de agregado) en más de un 10 %. En esta investigación, se obtuvo que la mayor variación sucede en edades avanzadas, donde los concretos desarrollan resistencia hasta con un 7 % de diferencia.
En la sección de resultados, el Cuadro 11 hace referencia a la prueba Anova, aplicada a todas las mezclas de concreto. Con estas pruebas (y posteriormente la de Tukey), donde cada cemento varía el tipo de agregado (3 pruebas) y cada agregado varía el tipo de cemento (2 pruebas), se obtuvo, en todos los casos, que la resistencia del concreto a los 28 días es significativamente diferente entre dos mezclas que presenten una de estas variantes.
Los agregados finos y gruesos utilizados en el proyecto se encuentran dentro de los limites granulométricos establecidos en la
Respecto a los cementos, los tiempos de fragua cumplen con los valores establecidos en la norma
Al analizar estadísticamente los resultados, la desviación estándar y el coeficiente de variación califican los resultados de resistencia obtenidos, según el criterio del ACI 214R-11R, como: excelentes, muy buenos, buenos y, solo en un caso (concreto A2), aceptables. Por lo anterior, se concluye que los datos de resistencia del concreto son válidos y aplicables, además, se respaldan los métodos de moldeo.
La evolución porcentual del concreto analizado en las gráficas indica:
El concreto tiene un desarrollo, en la primera semana, al menos el 64 % de la resistencia proyectada a 28 días para todas las combinaciones.
Los concretos fabricados con cementos tipo MM/C (P-C)-28 y MM/C (C-P) -28 se comportan similares respecto a sus valores porcentuales de resistencia a la edad de los 28 días. Aunque su nomenclatura indica una adición de puzolana o caliza en mayor cantidad según lo indicado por el producto.
En todos los concretos hechos con agregados de río, se obtuvo resistencias mayores a las de los concretos hechos con el mismo tipo de cemento en combinación con agregados de tajo.
Los cementos mixtos modificados ganan gran parte de su resistencia en edades avanzadas, así, a los 56 días, llegan a obtener hasta un 21 % adicional a la resistencia obtenida a los 28 días.
La resistencia porcentual de concretos hechos con un mismo cemento, pero diferente agregado, difiere mayormente a edades tempranas. A edades avanzadas, ese comportamiento se estabiliza y oscila entre 5 % y 7 %, como se planteó en la hipótesis.
Al compararse con el desarrollo porcentual de los cubos de mortero, tanto el agregado de río como el de tajo retrasan la obtención de resistencia en una edad temprana (en términos porcentuales). Sin embargo, el concreto obtienen esa ganancia de resistencia en edades más avanzadas (después de los 28 días).
La investigación no contempla la totalidad de los cementos que se utilizan en Costa Rica, sería conveniente explorar resultados de un estudio similar para cementos con adiciones diferentes.
Los autores agradecen al LanammeUCR, por facilitar las instalaciones y el equipo, todo debidamente calibrado, para la ejecución de los ensayos.