Universidad de Puerto Rico
Recinto Universidad de Mayagüez
Departamento de Ingeniería Civil y Agrimensura



Laboratorio #5
Diseño de Mezcla y Preparación de Mezcla de Hormigón

Introducción

Diseñar una mezcla de hormigón envuelve una gran cantidad de factores que no permiten un método empírico infalible. Por tal razón los métodos de diseño de mezcla estan dirigidos a mejorar calificativamente la resistencia, la calidad y la durabilidad de todos los usos que pueda tener el hormigón. El diseño y preparación de la mezcla de hormigón consiste en calcular las proporciones de los elementos que forman el mismo, con el fin de obtener los mejores resultados. Estas proporciones, de los materiales envueltos en la mezcla de hormigón, dependen de sus propiedades particulares y condiciones al momento de mezclar. Un gran ejemplo de esto es como se puedan encontrar los agregados a utilizarse en la mezcla ya sea seco al horno, seco al aire, saturado con superficie seca o saturado completamente. El A.C.I. recomienda un procedimiento en el cual utiliza dos factores principales que influyen en el comportamiento de la mezcla. De tal forma es importante utilizar el método de diseño de mezcla de A.C.I. descrito aquí para determinar las proporciones óptimas de agregados, cemento y agua que satisfaga una resistenciaespecificada y un grado de consistencia adecuada.

Algunas de las principales fuentes de variación de la resistencia del hormigón son el cambios en la relación agua/cemento debido a la falta de control en la cantidad de agua utilizada para cada mezcla, la variación en el contenido de humedad de los agregados y adición no controlada de agua a la mezcla. Por otro lado variación en la necesidad de agua de la mezcla por cambios en el tipo de agregado a utilizarse en la graduación, forma, tamaño y porosidad de estos. También los cambios en el tipo y dosificación de los ingredientes como agregados, aditivos y otros aspectos que varían la resistencia del hormigón. Por último el cambios en los procesos de mezclado, transporte, colocación y compactación del hormigón y las variaciones en la temperatura y el tipo de curado o ausencia de este causan variación en la resistencia del hormigón.

Procedimiento
Los equipos y materiales utilizados en este laboratorio son los siguientes
3 bandejas para agregados y cemento
Pala, Balaustre, cono truncado, varilla y regla
Balanza
6 cilindros 6” x 12”
2 moldes de viga de 6” x 6” x 21
1 molde cilíndrico de metal
Arena, Piedra, Cemento y Agua

En este laboratorio calculamos las cantidades aproximadas de los agregados gruesos y finos, cemento y agua necesaria para hacer una yarda cubica de hormigón de una resistencia a compresión de 2,500 psi. Estos calculos se realizaran antes del laboratorio y estos resultados de diseño seran aprobados por el instructor.
La resistencia a compresiónrequerida a los 28 días, las propiedades de los agregados finos y gruesos, y el asentamiento deseado en la mezcla fueron provistos para cada grupo por el instructor de laboratorio. Según el tamaño maximo de los agregados, su forma y asentamiento, se calculara la cantidad de agua en libras que se necesitan para una yarda cubica de hormigón. (Refiérase a tabla V-1)También se calculara la cantidad aproximada de aire la cual se espera que sea atrapado en la mezcla. Si la condición de exposición del hormigón es moderada o severa, el porciento de aire se debe corregir de -1 a +2 % del estipulado en la tabla +1 recomendado)
Basandose en la resistencia requerida en compresión a los 28 y utilizando la tabla V-2 encuentre la cantidad de cemento necesaria para una yarda cubica de hormigón dividiendo la cantidad de agua por la razón de agua a cemento de la tabla. Según el módulo de finura de la arena y el tamaño maximo del agregado encuentre el valor del volumen del agregado grueso compactado en seco por unidad de volumen del hormigón. Este valor se puede encontrar en la tabla V-3 y se multiplica por el volumen del hormigón para obtener el volumen del agregado grueso en seco necesario para la mezcla. Al multiplicar este último resultado por el peso unitario compactado en seco del agregado grueso se obtendra el peso para una yarda cubica del hormigón.
Para poder determinar la cantidad de arena a ser utilizada se calculara primero todo el volumen ocupado por los demas materiales hasta los 27 pies cúbicos sera el volumen de la arena. Este volumense multiplica por la gravedad específica de la arena y la densidad del agua para así obtener el peso de la arena. La arena a utilizar sera la combinación de arena procesada y arena de playa determinada en el laboratorio de granulometría y sus propiedades se obtendran de la interpolación entre las propiedades de cada una


Datos y Resultados Tabulados

Propiedades del Agregado Grueso:

Tamaño Maximo (pulgadas) = 1”
Peso Compactado en Seco (lb/ft3) = 97.2 lb / ft3
Gravedad Específica Seca = 2.33
Capacidad de Absorción (%) = 6.0%

Propiedades del Agregado Fino ( 100% de Playa; 0% Procesada):

Módulo de Finura = 1.5
Gravedad Específica Seca = 2.48
Capacidad de Absorción = 2.1%

Requisitos del Diseño:

Esfuerzo en Compresión Requerido (psi) = 2,500 psi
Asentamiento (pulgadas) = 4”

Humedad de Agregados:

% Gruesos = 3.85 % % Finos = 6.83 %



Tabla 1. Valores de Ingredientes para la Mezcla
Materiales
Condición Seca (lb)
Condición Campo (lb)
Mezcla Campo
3 ft3 (lb)
Peso Permanente (lb)
Peso Usado (lb)
Cemento
479.0
479.0
53.0
0.0
37.5
Agregado Grueso
2,099.5
2,180.3
242.0
0.0
54.0
Agregado Fino
687.1
734.0
81.0
0.0
242.0
Agua Requerida
321.0
333.6
37.0
0.0
82.0




Asentamiento Medido = 4.5”
Consistencia de la Mezcla = Pedregosa muy líquida
% Arena de Agregado Total = 25.3 %


Peso Unitario del Hormigón:

Peso de Envase y Hormigón = 61.5 lb
Peso del Envase = 14.5 lb
Peso del Hormigón = 47.0 lb
Volumen del Envase = 0.3328 ft3
Peso Unitario delHormigón = 141.20 lb/ft3




Discusión de Resultados

Para el diseño de hormigón calculamos unos datos preliminar que fueron 35.67 lb de agua, de cemento 53.23 lb, de piedra seca 233.38 lb, de arena de playa seca 79.1 lb todo esto en una mezcla de hormigón de 3 pies cúbicos. Observamos que la cantidad de agregado grueso es mas que el 50% del peso de la mezcla de hormigón, también el peso de arena es un 20% del peso de la mezcla de hormigón. Comparando esto con los pesos del hormigón y el agua, los agregados para esta mezcla constituyen mas de un 70% del peso de la mezcla de hormigón. La razón porque hay un alto volumen de piedra es debido al módulo de finura de arena que fue 1.5. El valor bajo del módulo de finura causa que haya que usar mas agregado grueso para ocupar mas volumen en la mezcla de hormigón, así disminuyendo los vacíos que deja la arena de playa . Estos datos luego fueron adjuntados al contenido de humedad de los agregados, para la piedra la cantidad de humedad fue 3.85% y para la arena fue 6.83%. Al hacer el ajuste la cantidad nueva de piedra es 242 lb, para la arena de playa es 81 lb, para el agua el agua es 37 lb y para el cemento no hay que hacer correcciones se queda en 53 lb. Comparando estos valores con las demas mezclas observamos que a medida que aumentamos el psi del hormigón se aumenta la cantidad de cemento a usarse en la mezcla. Esto pasa debido a la relación agua cemento, al subir al aumentar la relación se utiliza mayor cantidad de agua y sus resistencia disminuye; por ende al disminuir esta relaciónhabra menos agua en la mezcla por lo que la resistencia aumenta tal como se describe en la Ley de Abrams. También observando las demas mezclas de los grupos, vemos que la cantidad de arena de playa disminuye a medida que aumentamos la resistencia del hormigón. Esto es debido a que la cantidad de humedad de arena de playa fue de 6.83%, por esta razón si disminuimos la cantidad de arena en la mezcla disminuimos la cantidad de agua adicional que se le añadira a causa de la humedad de la arena. Finalmente comparando el agua utilizado en las diferentes mezclas observamos que esta no cambio excepto en la mezcla de 3,500 psi que aumento por uno. Luego de hacer la correcciones a los datos se hizo la mezcla de hormigón, para la prueba de asentamiento esta dio 4.5 pulgadas. El asentamiento que se quería para esta mezcla era 4 pulgadas pero la cantidad de piedra, arena de playa y la humedad adentro de estos agregados hizo que el asentamiento fuera mayor. El peso unitario para el cemento realizado fue de 141.2 lb/ft3 mientras el peso unitario teórico de cemento es 144 lb/ft3 por lo que obtuvimos un 1.9% de error lo cual demuestra que tenemos una mezcla que se acerca bastante a lo estandar. Durante el proceso de recogido de muestras observamos que las muestras comenzaron a sangrar por lo que excesivamente.


Conclusiones

En este laboratorio conocimos el proceso por el cual se realiza la mezcla de los ingredientes para una mezcla de hormigón de cemento Portland. En base a los resultados de los otros grupos pudimos comprobar que la Ley deAbrams prevalece ya que para para los grupos con resistencias mas altas que la nuestra utilizaron una relación agua cemento mas baja y su mezcla se veía mucho mas seca. En cuanto a nuestra mezcla notamos que un slump de 4.5” medido es muy alto y la mezcla de hormigón al sacar el cono truncado ni siquiera conservó la forma de cono truncado. En base a esto sabemos que la mezcla de por sí da indicios que no cumplira con la resistencia especificada de 2,500 psi. Otro aspecto que nos dice que nuestra mezcla tuvo problemas fue el sangrado excesivo al recoger las pruebas porque significa que el agregado grueso se segregó y el agua de la mezcla subió debilitante el tope del cilindro. Consideramos que los factores que pudieron haber propiciado estos comportamientos fueron haber utilizado un cemento de baja calidad, haber utilizado una arena con un módulo de finura bajo que no cumple con las especificaciones de la ASTM C33.









Ejemplo de Cómputos


Calculos de Gravedad Específica y Absorción de Piedra
1. Gravedad Especifica Aparente:
Aparente = Peso seco en horno/ (Peso seco en horno – Peso en agua)
= 919.1/(919.1-580.2) = 2.71

2. Gravedad Específica de masa (seco)
Masa seco = Peso seco en horno/ (Peso SSD – Peso en agua)
= 919.1/(973.9-580.2) = 2.33

3. Gravedad Específica de masa (SSD)
Masa SSD = Peso SSD/ (Peso SSD- Peso agua) = 973.9/(973.9-580.2) = 2.47

4. Absorción (%):
% = [(Peso SSD – Peso seco en horno)/Peso seco en horno] * 100
= [(973.9-919.1/919.1] * 100 = 6.0 %

Calculos de GravedadEspecífica y Absorción de agregado fino
1. Gravedad Especifica Aparente:
Aparente = Peso seco en horno/ [(Peso Picnómetro + agua) + Peso seco en horno – (Peso Picnómetro + agua + muestra)] = 424.7/(551.2+424.7-855.6) = 3.53

2. Gravedad Especifica de masa (seco):
Masa seco = Peso seco en horno/ [(Peso Picnómetro + agua) + 500 – (Peso Picnómetro + agua + muestra)] = 424.7 551.2+500-855.6) = 2.17

3. Gravedad Especifica de masa (SSD):
Masa SSD = 500/ [(Peso Picnómetro + agua) + 500 – (Peso Picnómetro + agua + muestra)] = 500 551.2+500-855.6) = 2.56

4. Absorción (%):
% = [(500 – Peso seco en horno)/Peso seco en horno] * 100
= [(500-424.7/424.7] * 100 = 17.7 %

Calculos de Peso unitario
1. Peso unitario:
γ = Peso agregado / volumen envase = 33.0/0.34 = 97.01 lb/ft3

2. Volumen de agregados
Va = Peso compactado seco/ (Gravedad específica seca * densidad de agua)
= 33.0/(2.33*62.4) = 0.227 ft3

3. Volumen de vano
Vv = volumen envase – volumen de agregado = 0.34-0.227 = 0.113 ft3

4. % vanos:
% = (volumen de vanos/volumen envase) * 100 = (0.113/0.34) * 100 = 33.2 %



















Referencias

Manual de Laboratorio de Materiales de Ingeniería Civil, por Prof. Roberto Huyke
ASTM C127 y ASTM C128, por ASTM International
Materials for Civil and Construction Engineers, por Mamlouk y Zaniewski
• Peso Específico, Jossof. thttps://www.jossoft.com.ar/ARCHIVOS/Pesos%20Especificos.pdf




















Apéndice

1. Hojas del Manual del Laboratorio