LABORATORIO 1:ENSAYOS DE DETERMINACIN DE CARACTERISTICAS FSICAS Y MECNICAS DEL CONCRETO Y MORTERO PARA CONTROL DE CALIDAD, SEGN LAS NORMAS TCNICAS COLOMBIANAS

JUAN PABLO AHUMADA LPEZ(02215719)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE NGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL Y AGRCOLAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCIN-GRUPO 2BOGOT2014INTRODUCCIN

En el medio de la construccin, el concreto es un material usado extensamente en las estructuras, lo anterior se debe a que cumple con una serie de caractersticas mecnicas que satisfacen, si el material es mezclado y tratado adecuadamente, con las necesidades del usuario en cuanto a duracin y resistencia. Es por esto que es completamente necesario que en la formacin profesional de la ingeniera civil se formen conceptos claros de las propiedades del concreto y de manera intrnseca, del cemento para garantizar un control de calidad ptimo, un proceder confiable y un criterio slido y fundamentado para quienes en un futuro estarn a cargo de la construccin civil.

As mismo, es necesario resaltar hechos importantes para la correcta obtencin de resultados en el laboratorio, hechos que nos permitan comparar y concluir sobre los comportamientos de nuestro inters frente a diferentes estmulos y variaciones en sus componentes, todo con el fin de poder asegurar la vida de los usuarios y la inversin de capital en las estructuras, adems de apostar siempre por la investigacin de nuevas tecnologa de concreto y hasta nuevas alternativas de construccin.

En el medio de la construccin, el concreto es un material usado masivamente en las estructuras, lo anterior se debe a que cumple con una serie de caractersticas mecnicas que satisfacen, si el material es mezclado y tratado adecuadamente, con las necesidades del usuario en cuanto a duracin y resistencia.

Para los ingenieros civiles en formacin es muy importante estar familiarizados con los componentes del concreto para poder ponerlo en prctica de una manera satisfactoria en su ejercicio profesional.

El cemento portland fundamental para la produccin del concreto. Existen muchas cementeras en el mercado, sin embargo, es necesario que cumplan con una serie de propiedades para poder asegurar su calidad. Lo anterior se logra mediante ensayos de laboratorio.

La normalizacin de los laboratorios hace que los resultados sean comparables, de otra forma no se tendra un criterio claro para la toma de decisiones tanto de los productores de cemento, como de los constructores, todo con el fin de poder asegurar la vida de los usuarios y la inversin de capital en las estructuras.

Las normas que rigen estos ensayos en Colombia estn dadas por las Normas Tcnicas Colombianas NTC. Algunas de las usadas para el ensayo son: la NTC 110 MTODO PARA DETERMINAR LA CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO HIDRULICO, la NTC 118 MTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRULICO MEDIANTE EL APARATO DE VICAT, la NTC 221 MTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD DEL CEMENTO HIDRULICO, entre otras que sern mencionadas correspondientemente.

El ensayo se realiz en el laboratorio de cementos de la Universidad Nacional de Colombia, en el Instituto de Extensin e Investigacin, edificio 406, con asesora continua del laboratorista.

1. DESCIPCIN DEL PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS

1.1 DETERMINACIN DE LA FLUIDEZ NORMAL

1.1.1 Descripcin.

Para el ensayo de determinacin de la fluidez normal (NTC 110) se realiza la mezcla de pasta de cemento (cemento+agua) segn el procedimiento de la NTC 112. Se llena el molde cnico con la pasta, habiendo formado una bola y habiendo sido lanzada de mano a mano seis veces a una distancia de 150 mm. Se coloca una placa bajo el molde. El conjunto anterior se lleva al aparato de Vicat, se pone bajo el vstago. Se pone la lectura en cero o se toma la lectura inicial. Se suelta el vstago durante un perodo de 30 segundos, se toma la lectura. El mbolo debe penetrar un rango de 10 mm1 mm para que se considere que la pasta tiene consistencia normal.

1.1.2 Importancia.

La relacin agua-cemento es fundamental en el concreto, entre mayor sea la relacin agua-cemento menor ser la resistencia, de la misma forma entre menor sea la relacin agua-cemento mayor ser la resistencia. Esta propiedad da idea de las propiedades de la resistencia mediante la relacin agua cemento y una fluidez determinada, propiedad determinada para el estado fluido. Como no todas las pastas de cemento tienen la misma consistencia con la misma relacin agua cemento la fluidez normal se convierte en un punto de referencia para hacer los ensayos, por tal razn lograr que sean comparables.

1.2. FluidezPara el ensayo de fluidez, se prepar el mortero con 500gr de cemento, 285gr de arena de Ottawa, y 57% relacin agua-cemento. Se llen el molde de flujo ubicado sobre la mesa de flujo como se indica en la NTC111 (en dos capas, cada una comprimida 20 veces), y despus de un minuto se retir el molde y se accion la mesa dejndola caer 25 veces en 15s. Se midieron 4 dimetros de la circunferencia resultante (26, 27, 27.5, 26.5 mm) y se obtuvo un valor promedio de 26,75mm. Luego se resolvi la ecuacin de fluidez encontrndola de 107%.

1.2 DETERMINACIN DE LA FINURA MEDIANTE EL APARATO DE BLAINE

1.2.1 Descripcin.

En el aparato de Blaine se tiene una muestra patrn con determinada masa, se debe tener una muestra del cemento del que se quiera determinar la finura igual a la masa de la muestra patrn que ser puesto en la cmara de permeabilidad del aparato con papel filtro tanto en el extremo superior como en el inferior, adems de un disco perforado en ste ltimo extremo. Se monta el sistema y se procede segn las indicaciones de la norma NTC 33 para obtener un tiempo de descenso del lquido.

1.3 DETERMINACIN DE LA EXPANSIN EN AUTOCLAVE DEL CEMENTO PRTLAND

1.3.1 Descripcin.

Primero se hace una mezcla con 650 g de cemento que tenga consistencia normal (de acuerdo con la NTC 110), seguido llenan los moldes correspondientes. Una vez llenados los moldes, se colocan en el cuarto hmedo durante un tiempo superior a 20 horas. A las 24 horas 30 minutos se retiran los especmenes y se toma su longitud inicial, se coloca en el autoclave, con suficiente agua, a temperatura ambiente, se cierra la vlvula de desfogue y aumenta la temperatura del autoclave, al mismo tiempo aumenta la presin interna. Luego del tratamiento especificado en la NTC 107 en el punto 10.2 durante 3 horas a altar presiones y temperaturas, se retiran los especmenes y se mide su longitud final entre extremos.

1.4 DETERMINACIN DE LOS TIEMPOS DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRULICO MEDIANTE EL APARATO DE VICAT

1.4.1 Descripcin.

Se prepara pasta con consistencia normal usando determinada masa de cemento (500gr). Se forma una bola con la pasta y se lanza seis veces entre las manos a una distancia de 150 mm, paso seguido, se llena un molde cnico.El molde se ubica sobre una base plana. El conjunto completo se pone bajo el aparato de Vicat. Una vez el aparato est listo para usarse, se deja caer una aguja de 1 mm sobre la pasta y se deja caer tomando los datos de penetracin de sta. El tiempo de fraguado inicial es aquel en el que la aguja penetra 25 mm, el tiempo final de fraguado es en el que la aguja no deje marca visible en la pasta.

1.3.2 Importancia.

En una obra de una estructura en concreto, los tiempos de fraguado son fundamentales, bajos tiempos de fraguado inicial representan un riesgo, pues se necesita cierta cantidad de tiempo entre el mezclado y el momento de fundir, en este intervalo de tiempo el concreto debe estar fluido. Altos tiempos de fraguado inicial representan costos econmicos, pues se necesitan ms tiempo las formaletas y, si es un edificio, no se puede fundir el siguiente piso. Por lo anterior es necesario que el cemento cumpla con los rangos de fraguado normativos, el ensayo de determinacin de los tiempos de fraguado arroja esos resultados que dan un criterio en la toma de decisiones.

1.5 DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA DE MORTEROS DE CEMENTO HIDRULICO USANDO CUBOS DE 50 mm DE LADO

1.5.1 Descripcin.

Para realizar el ensayo de determinacin de la resistencia de mortero usando cubos de 50 mm de lado se necesita mezclar mortero (agua+arena de Ottawa), de tal forma que produzca una fluidez de 110 5 como porcentaje del peso del cemento determinado de acuerdo a la NTC 111. Una vez determinada la fluidez se llenan los moldes segn el procedimiento descrito en la NTC 220 en el ttulo 10.4. Los moldes llenos se depositan en el cuarto hmedo. Si los cubos no son ensayados a las 24 horas deben sumergirse en agua saturada con cal. Se determinan las edades a las que se quiere hallar la resistencia a la compresin. Se fallan a determinadas edades teniendo en cuenta los cuidados para retirar los cubos de los moldes y otras anotaciones dadas en la NTC 220 en el ttulo 10.6.

1.5.2 Importancia.

Aunque la resistencia del concreto depende de muchos factores (la calidad de agua, la calidad de agregados, la relacin agua-cemento, el apropiado curado, etc.), es necesario conocer la resistencia de la pasta en las mismas condiciones (un rango de fluidez y el mismo tipo de arena) para saber si hay algn tipo de patologa en el cemento, por ejemplo, si la resistencia disminuye en vez de aumentar, no solo en un caso sino como resultado general de todos los ensayos realizados, se debe hacer un estudio de las condiciones que lo causan, si el cemento, se debe rechazar su uso. Si aumenta la resistencia con la edad de los cubos pero es considerablemente menor a las normas dadas en la NTC 121 se debe hacer el mismo procedimiento. Tambin podra usarse como un indicador de la calidad del cemento.

2. HOJAS TCNICAS DE FABRICANTES DE CEMENTO NACIONALES

2.1 CUADROS COMPARATIVOS

A continuacin se presentan dos cuadros comparativos de fichas tcnicas de fabricantes de cemento en Colombia y los requisitos fsicos o qumicos de la NTC 121 y la NTC 321 correspondientemente:

Cuadro comparativo de requisitos fsicos de cemento portland tipo 1 segn la NTC 121 y las fichas tcnicas de los fabricantes de cemento

Requisito fsicoNTC 121 Cemento ArgosCemento CemexCementos San Marcos

Finura (m2/kg). Mnimo por ensayo de permeabilidad280280300-600280

Estabilidad (%). Mximo por expansin en autoclave0,80,80,0-0,20,8

Mnimo tiempo de fraguado inicial (min). Por agujas de Vicat 4590100-18045

Mximo tiempo de fraguado final (min). Por agujas de Vicat480320180-260375

Resistencia mnima a la compresin a un da (MPa) --5,89-9,81-

Resistencia mnima a la compresin a 3 das (MPa) 8,0013,8012,75-18,648,00

Resistencia mnima a la compresin a 7 das (MPa) 15,002,7016,68-23,5415,00

Resistencia mnima a la compresin a 28 das (MPa) 24,0028,0024,03-29,4324,00

Tabla 1. Propiedades fsicas de los cementos ofrecidos por los productores en ColombiaCuadro comparativo de requisitos qumicos de cemento portland tipo 1 segn la NTC 321 y las fichas tcnicas de los fabricantes de cemento

Requisito qumicoNTC 321 Cemento ArgosCemento CemexCementos San Marcos

Cantidad mxima (%) de xido de magnesio (MgO)7,07,01,0-3,06,0

Cantidad mxima (%) de Trixidode azufre (SO3)3,53,51,5-3,03,5

Tabla 2. Propiedades qumicas de los cementos ofrecidos por los productores en ColombiaLo ideal de la ingeniera civil, una profesin que est directamente relacionada con la vida de las personas y su capital, es evitar trabajar con incertidumbre, sabiendo que cualquier persona que cruce por el puente que se construyo llegar al otro lado sin que se caiga, sabiendo que todas las personas que viven en el edificio que se construye vivirn plenamente y por mucho tiempo all, no que ese mismo edificio sea la causa de muertes, perdidas y tragedia.

Sin embargo, ver las tablas de los requisitos dados en las normas NTC 121 y 321 deja cierta sensacin de incertidumbre que se evita. En los casos de cemento Argos y Cementos San Marcos se presenta un solo valor para cada propiedad, lo que indica que si compro un bulto de dichas marcas de cemento en cualquier depsito y hago los ensayos descritos en el presente informe, los valores que obtendr sern muy cercanos a los de las fichas tcnicas, pero lo que se ve en la prctica es que los resultados entre cementos de diferentes plantas, a pesar de ser conocido en el mercado con la misma marca, se obtendrn valores diferentes para una misma propiedad.

Tomando de nuevo las fichas tcnicas de cemento Argos y Cementeras San Marcos, en el ensayo de finura, de expansin en autoclave, porcentaje de SO3, entre otros ensayos, se dan los mismos valores mximos o mnimos, segn corresponda, iguales a los valores dados en las normas. Lo anterior indica que esas propiedades apenas se cumplen en general, pero que apenas se cumplan deja mucho que desear si la vida de los usuarios depende de ello.

Con ese apenas se pierde la esencia del ingeniero que trabaja para servir a los dems, se experimenta con vidas en vez de estudiar y mejorar los resultados de los ensayos presentando intervalos de valores que cumplan con la normativa, como muestra la ficha tcnica de Cemex.

En mi bsqueda de fichas tcnicas no encontr la ficha del cemento Portland tipo 1 de Holcim que estuviera relacionada con la misma empresa (existen otras hechas de ese cemento por distribuidores), en su lugar se puede encontrar la siguiente afirmacin: Este producto est amparado por el sello de conformidad norma Icontec NTC 121/321 para cementos Tipo I..

Es decir que esta cementera vende a distribuidores y constructores la idea de que se cumple toda la normativa correspondiente sin mostrar la ficha tcnica, lo que es una fuente an mayor de incertidumbre.

Hay muchas cosas por hacer en la industria del cemento, hay mucho que exigir en cuanto a la calidad e informacin especfica de los cementos que se estn usando actualmente.3. NORMATIVA INTERNACIONAL

Es importante conocer la normativa sobre cemento a nivel internacional para poder conocer el la situacin de las cementeras en Colombia desde una perspectiva mundial.

En Espaa se tiene la INSTRUCCIN PARA LA RECEPCIN DE CEMENTOS (RC-08), la cual se aprob en el ao 2008, reemplazando la RC-03. Est norma toca todos los temas que tienen que ver con el cemento en Espaa, entre los cuales estn: los ensayos de reconocimiento, toma de muestra, laboratorios de ensayo, todas las exigencias, entre otras.

En Estados Unidos de Amrica se tienen la ASTM (Amercan Society for Testing and Materials), la cual fue fundada en 1898 y se ha encargado de desarrollar normas de gran manera en todo el mundo. Algunas de las normas colombianas estn basadas en esa normativa. Una de las ms relevantes para este informe es la ASTM C150/C150M, la cul es la que trata sobre los tipos de cemento portland.

En cuanto a Europa, la norma que rige las definiciones, especificaciones y clasificaciones del concreto es la norma UNE-EN 197. La ltima versin encontrada de lo anterior es del ao 2011, sin embargo, por la dificultad de conseguirla, se tomarn los datos de la UNE-EN 197-1:2000.

3.1 TIPOS DE CEMENTO EN EL CONTEXTO INTERNACIONAL

3.1.1 Caso europeo relacionado con el Reino Unido.

Segn la norma europea UNE-EN 197-1:2000, existen cinco tipos de cemento, estos cinco se dividen en trminos de su adiccin y luego por los porcentajes presentes de estas, para un total de 27 productos de cemento.

En los tipos de cemento se tienen: tipo 1. Cemento Portland, tipo 2. Cemento Portland con adiciones, tipo 3. Cemento Portland con escorias de alto horno, tipo 4. Cemento puzolnico, tipo 5. Cemento compuesto.

Las adiciones usadas son: escoria de alto horno (S), humo de slice (D), puzolana natural (P), puzolana natural calcinada (Q), ceniza volante silcea (V), ceniza volante calcrea (W), esquisto calcinado (T), caliza (L).

Se presenta un cuadro comparativo de los tipos de cemento fabricados en Inglaterra en comparacin a todos los descritos en la UNE-EN 197-1:2000:

Tabla 3. Tipos de cemento fabricados en Inglaterra

3.1.1 Caso europeo relacionado con la normativa espaola.

En la RC-08, la designacin de los cementos comunes se hace con referencia a la norma EN 197-1, la tabla de los cementos comunes segn la norma anterior se presenta a continuacin:

Tabla 4. Tipos de cemento comunes EN 197-1

3.1.1 Caso de la normativa americana respecto a los tipos de cemento Portalnd.

En la ASTM C150/C150M se especifican diez tipos de cemento Portland. Se resume cada uno de ellos:

Tipo I, es el tipo de cemento Portland usado cuando no se requieren propiedades especiales en la construccin.

Tipo I A, cemento portalnd tipo I incorporador de aire.

Tipo II, cemento usado cuando se requiere resistencia moderada a los sulfatos.

Tipo IIA, cemento portland tipo II incorporador de aire.

Tipo II(MH), cemento usado cuando se necesita calor de hidratacin moderado y resistencia moderada a los sulfatos.

Tipo II(MH)A, cemento incorporador de aire para mismos usos que el cemento portland Tipo II(MH).

Tipo III, cemento usado cuando se requiere una estructura de alras tesistencia iniciales.

Tipo IIIA, cemento incorporador de aire para los mismos usos que el tipo III.

Tipo IV, cemento que se usa cuando se requieren bajos calores de hidratacin por ejemplo, en una obra masiva.

Tipo V, cemento usado cuando se neceita una estructura con alta resistencia a los sulfatos.

3.1.1 Caso colombiano en comparacin a las especificaciones de las normas mostradas.

Hay normas colombianas, por ejemplo la NCT 121, que tiene especificaciones sobre los cinco tipos de cementos. Para el caso de esta norma se presentan los requisitos fsicos que deben cumplir los distintos tipos de cementos, como ejemplo estn los requisitos del cemento portland tipo 1 del que se trata en el ttulo dos de este informe.

Es decir que en la normativa colombiana tambin se tienen en cuenta distintos tipos de cemento portland, incluso se tiene la normativa para los requisitos que debe cumplir el cemento blanco (NTC 1362).

A pesar de lo anterior, en la comercializacin de cemento en Colombia no se pueden encontrar todos los tipos de cemento:

Cemento Argos produce y vende cemento Portland tipo 1 para uso general o para uso estructural, tambin cemento de uso petrolero, que cumple con la norma API SPEC10 A, y cemento portland blanco que cumple con los requisitos de la norma ASTM C1157 (como se haba mencionado anteriormente, se tienen como referencia algunas de las normas ASTM en el pas).

Holcim Colombia vende cemento portland tipo I, cemento portland tipo I para construccin de estructuras, cemento portland tipo V y cemento petrolero.

Cemex comercializa cemento tipo I para varios usos y cemento blanco.

A nivel general, en Colombia se puede encontrar cemento portalnd tipo I, tipo V y cemento portland blanco.

Si bien en Inglaterra no existen los 27 tipos de cemtenentos comunes, en el momento de hacer la comparacin, tenan 7, de al menos tres tipos, en cambio en colombia solo se cuenta con dos tipos de cementos. Si se compara la comercializacin en Colombia con la normas a nivel mundial se llega los resultaos no son los mejores, hay carencia de tipos de cemento portalnd.

Sin embargo hay otros factores que tienen que ver con esta situacin, pues las necesidades en construccin no son las mismas en todos los contextos. En el caso colombiano, por su ubicacin geogrfica, y sobre todo en las zonas costeras por sus elevadas temperaturas, si se requiere hacer una estructura masiva debera usarse cemento portland tipo IV. En el caso de los incorporadores de aire mencionado en las normas ASTM, sirven principalmente (tienen algunas otras ventajas, pero se menciona el uso principal) para mejorar la resistencia de los concretos a ciclos de congelacin-deshielo. Como no es comn lo anterior en Colombia no tiene sentido fabricar cementos incorporadores de aire sino usar aditivos en casos especiales.

En conclusin, ms all de ver si se comercializan los tipos de cemento que estn normalizados, se debe ir evaluando el contexto segn las necesidades y hacer lo ms eficiente, en el caso colombiano hasta el da de hoy han sido los aditivos y mientras no se genere otro tipo de necesidades se debera hacer de la misma forma.

A nivel nacional tambin se tiene normativa respecto a tipos y clases de cementos

4. RESULTADOS Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS

4.1 RESULTADOS DEL ENSAYO DE CONSISTENCIA NORMAL

Se presentan los resultados del ensayo de la consistencia normal segn el procedimiento descrito por la norma NTC 110 Mtodo para determinar la consistencia normal del cemento hidrulico:

Determinacin de consistencia normal NTC 110

Masa de cemento (gr)Masa de agua (gr)Relacin agua-cemento (%)Penetracin del mbolo en la pasta (mm)

500150307,5

5001553111,0

Tabla 5. Resultados de consistencia normal.No se esperaba que los resultados medidos mediante el aparato de Vicat cambiaran tanto con tan poca variacin de la relacin agua-cemento y siguiendo el mismo procedimiento de mezclado, lo que indica que se debe ser muy cuidadoso con dicha relacin, pues con una mnima variacin genera cambios en las propiedades.

La consistencia normal para la muestra de cemento Holcim portalnd tipo I llevada al laboratorio se consigui con una relaci agua-cemento de 30,5%, con 500gr de cemento y 152,5gr de agua.

4.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DENSIDAD

Se presentan los resultados del ensayo de densidad segn la NTC 221 Metodo de ensayo para determinar la densidad del cemento hidrulico:

En donde, es la masa del cemento en , es el volumen desplazado en .

El volumen inicial del liquido presente en el frasco de Le Chatelier fue de , el volumen final, con el cemento, de .

La masa del cemento fue

Hallando la densidad relativa:

La densidad del agua a dicha temperatura es ,

La densidad del cemento segn la ASTM debe ser aproximadamente , la densidad de los cementos adicionados tiende a ser menor. Como el valor de la densidad medida es mucho menor que el valor de la densidad que se esperaba, se concluye que la muestra de cemento de marca Holcim tipo I usada, est adicionada.

En Colombia se tiene normativa para hallar la densidad del cemento, sin embargo no se tiene una norma que especifique un intervalo de valores de densidad que deberan cumplir los cementos. Sin la normativa, las cementeras colombianas no estn obligadas a vender cemento no adicionado. En conclusin, los constructores tienen que trabajar con cemento adicionado sin que se conozca el tipo de adicin ni la cantidad, se tiende a trabajar con una incertidumbre que se podra arreglar mejorando las normas de exigencia del cemento portland.

4.3 RESULTADOS DEL ENSAYO DE FINURA

Se presentan los resultados del ensayo de finura segn la NTC 33 Metodo para determinar la finura del cemento hidrulico por medio del aparato de Blaine de permeabilidad al aire:

La frmula para hallar la finura de la muestra est dada por:

En dnde es la superficie especifica en , es una constante dada por el cemento patrn, es la densidad del cemento y la viscosidad del aire.

Para la temperatura del ensayo de , el valor de la viscosidad ( es de en , el tiempo fue de , , y la densidad del cemento.

4.4 RESULTADOS DEL ENSAYO RESISTENCIA A LA COMPRESIN DE CUBOS DE MORTERO

Se presentan los resultados del ensayo de densidad segn la NTC 220 Determinacin de la resistencia de morteros de cemento hidrulico usando cubos de 50 mm 50,8 mm de lado:

Resistencia de morteros de cemento NTC 220

Numero del cuboEdad del cubo (das)longitud del lado (mm)rea de contacto (mm2)Carga mxima (Kgf)Carga mxima (N)Resistencia a la compresin (MPa)

14502500281027566,111,02644

24502500281127575,9111,030364

34502500281227585,7211,034288

Tabla 6. Resistencia de morteros.