TTE163

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y TRACCIÓN POR FLEXIÓN DE UN HORMIGÓN ELABORADO CON ROCA VOLCÁNICA COMO SUSTITUTO DEL AGREGADO GRUESO

Proyecto de título para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles

Profesor Guía Mg. Carlos Abella Álvarez

Olga Daniela Alfaro Quiroz Marco Arsenio Mariguín Martínez Temuco – Chile 2022

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE OBRAS CIVILES Y GEOLOGÍA

COMISIÓN EXAMEN DE TÍTULO

Este Examen de Título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología:

Profesor Guía:

............................................................................. Mg. Carlos Abella Álvarez Ingeniero Civil

Informante:

............................................................................. Dr. Ricardo Picón Rodríguez Ingeniero Civil

Informante:

............................................................................. M.Sc. Roberto Torres Hoyer Ingeniero Civil Geológico

Temuco, ...................................................................

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A Dios

A nuestros padres y hermanos

Este trabajo es para ustedes

Con amor y cariño

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Agradecimientos

Nuestros agradecimientos van dirigidos en primer lugar a Dios y a nuestras familias, padres y hermanos, que han sido un pilar fundamental en nuestro desarrollo como personas y como profesionales. También queremos agradecer a cada una de las personas que fueron parte de alguna u otra forma de este proceso como nuestras parejas, amigos, compañeros, profesor guía don Carlos Abella, secretaria de la carrera Sra. Patricia Rivero, personal técnico de los laboratorios involucrados en este proyecto Daniel Gallegos y Wilson Benavides, y profesores en general, gracias por su apoyo.

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RESUMEN El proyecto Análisis Comparativo de la Resistencia a la Compresión y Tracción por Flexión de un Hormigón Elaborado con Roca Volcánica como Sustituto del Agregado Grueso, consiste en analizar la resistencia del hormigón, por compresión y por tracción por flexión, al remplazar el árido grueso convencional por roca volcánica en su confección, basando la investigación en ensayos de probetas cilíndricas y prismáticas de hormigón, las cuales fueron elaboradas con cemento corriente de la marca Melón (G25), agregado fino (arena) y agregado grueso (gravilla) de la planta Áridos San Vicente, y roca volcánica obtenida del depósito natural Challupén aledaño al Volcán Villarrica. A cada tipo de árido se realizaron los ensayos de Granulometría, Densidad y Absorción de agua, conforme a normativa vigente en Chile, para poder determinar los parámetros necesarios para la dosificación. Para llevar a cabo el análisis se determinó un diseño de mezclas para un hormigón patrón, con 100 % gravilla, y otros con remplazo de roca volcánica, basando el diseño en el método de dosificación Faury-Joisel. Las probetas se confeccionaron en proporciones de 0%, 25%, 50%, 75% y 100% de roca volcánica en remplazo de la gravilla, para una edad de 28 días de curado. Se ensayaron 3 probetas por cada proporción y por cada tipo (cilíndricas y prismáticas), es decir, se analizaron 15 probetas a la compresión y 15 probetas a tracción por flexión. Se evaluaron los parámetros de resistencia comparándose con los del hormigón patrón de resistencia de diseño f´c = 25 [MPa]. Los resultados obtenidos muestran un crecimiento lineal a medida que se aumenta la incorporación de roca volcánica a la mezcla, siendo la mezcla de 100% roca volcánica un 20% más resistente que la mezcla de 100% gravilla. Con los resultados se determinó un uso viable de la roca volcánica, quedando sujeto a estudio. Palabras claves: Granulometría Forzada, Hormigón Patrón, Roca Volcánica.

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ABSTRACT The project Comparative Analysis of the Resistance to compression and tensile by bending of a concrete made with volcanic rock as a substitute for the coarse aggregate, consists of analyzing the concrete's resistance, by compression and flexural traction, by replacing the conventional coarse aggregate with volcanic rock in its preparation, basing the research on tests of cylindrical and prismatic concrete specimens, which were made with ordinary cement of the Melón brand (G25), fine aggregate (sand) coarse aggregate (gravel) from the Áridos San Vicente plant, and volcanic lava obtained from the Challupén natural deposit near the Villarrica volcano. Granulometry, Density and Water Absorption tests were carried out for each type of aggregate, in accordance with current regulations in Chile, to be able to determine the parameters necessary for dosage. To carry out the analysis,a mix design was determined for standard concrete, with 100% gravel and others with volcanic lava replacement, basing the design on the Faury-Joisel dosing method. The specimens were made in proportions of 0%, 25%, 50%, 75% and 100% of volcanic lava to replace the gravel, for a time of 28 days of curing. Three specimens were tested for each proportion and for each type (cylindrical and prismatic), that is, 15 compression specimens and 15 flexural traction specimens were analyzed. The resistance parameters were evaluated and compared with those of the design resistance standard concrete f’ c = 25 Mpa. The results obtained showed a linear growth as the incorporation of volcanic lava to the mix increases, with teh 100% of volcanic lava mixture 20% more resistant than the 100% gravel mixture. Whit the results, a viable use of the volcanic rock was determined, being subject to study.

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Índice General

1. CAPÍTULO I: PRESENTACIÓN DEL PROYECTO .................................... 1

1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................... 1

1.2 OBJETIVOS............................................................................................. 2

1.2.1

Objetivo General ................................................................................. 2

1.2.2

Objetivos Específicos .......................................................................... 2

1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES ........................................................... 2

2. CAPÍTULO II: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ............................................. 3

2.1 ANTECEDENTES................................................................................... 3

2.2 USO DE ROCA VOLCÁNICA DEL VOLCÁN VILLARRICA ........... 4

2.3 ENSAYO DE COMPRESIÓN................................................................. 5

2.4 ENSAYO DE TRACCIÓN...................................................................... 5

2.4.1

Ensayo de Tracción Directa ................................................................ 6

2.4.2

Ensayo de Tracción por Flexión.......................................................... 6

2.4.3

Ensayo de Tracción Indirecta o Hendimiento ..................................... 6

2.5 DOSIFICACIÓN...................................................................................... 7

2.5.1

Método de Faury-Joisel ....................................................................... 8

2.5.2

Método de Dosificación ACI .............................................................. 8

3. CAPÍTULO III: MARCO TEÓRICO ............................................................. 9

3.1 GRANULOMETRÍA ............................................................................... 9

3.1.1

Tamaño máximo nominal y Tamaño máximo absoluto...................... 9

3.1.2

Áridos .................................................................................................. 9

3.2 DENSIDAD REAL, DENSIDAD NETA Y ABSORCIÓN DE AGUA ............................................................................................................... 10

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3.2.1

Árido Fino ......................................................................................... 10

3.2.2

Árido Grueso ..................................................................................... 11

3.3 DOSIFICACIÓN FAURY – JOISEL (JL)............................................. 12

3.4 PREPARACIÓN DE MEZCLAS DE HORMIGÓN............................. 15

3.5 ASENTAMINETO MEDIANTE EL CONO DE ABRAMS ................ 15

3.6 CONFECCIÓN DE PROBETAS .......................................................... 15

3.7 REFRENTADO DE PROBETAS.......................................................... 15

3.8 ENSAYO DE COMPRESIÓN............................................................... 16

3.9 ENSAYO DE TRACCIÓN POR FLEXIÓN ......................................... 17

4. CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA .............................................................. 19

4.1 ANTECEDENTES GENERALES ........................................................ 19

4.2 GRANULOMETRÍA ............................................................................. 20

4.3 DENSIDAD REAL, DENSIDAD NETA Y ABSORCIÓN DE AGUA ............................................................................................................... 21

4.3.1

Árido Fino ......................................................................................... 21

4.3.2

Árido Grueso ..................................................................................... 21

4.4 PREPARACIÓN DE MEZCLAS DE HORMIGÓN............................. 22

4.5 ASENTAMIENTO MEDIANTE EL CONO DE ABRAMS ................ 23

4.6 CONFECCIÓN DE PROBETAS .......................................................... 23

4.7 REFRENTADO DE PROBETAS.......................................................... 24

4.8 ENSAYO DE COMPRESIÓN............................................................... 24

4.9 ENSAYO DE TRACCIÓN POR FLEXIÓN ......................................... 24

5. CAPÍTULO V: RESULTADOS ................................................................... 26

5.1 GRANULOMETRÍA ............................................................................. 26

5.1.1

Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo Absoluto ................. 26

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5.1.2

Áridos ................................................................................................ 27

5.2 DENSIDAD REAL, DENSIDAD NETA Y ABSORCIÓN DE AGUA ............................................................................................................... 27

5.2.1

Árido Fino ......................................................................................... 27

5.2.2

Áridos Gruesos .................................................................................. 29

5.3 DOSIFICACIÓN FAURY – JOISEL (JL)............................................. 30

5.4 PREPARACIÓN DE MEZCLAS DE HORMIGÓN............................. 31

5.5 ASENTAMINETO MEDIANTE EL CONO DE ABRAMS ................ 33

5.6 CONFECCIÓN DE PROBETAS .......................................................... 34

5.7 REFRENTADO DE PROBETAS.......................................................... 35

5.8 ENSAYO DE COMPRESIÓN............................................................... 37

5.9 ENSAYO DE TRACCIÓN POR FLEXIÓN ......................................... 39

6. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................. 42

6.1 CONCLUSIONES ................................................................................. 42

6.2 RECOMENDACIONES ........................................................................ 43

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 44

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Índice de Figuras Figura 1 . Esquema de desarrollo del proyecto .................................................... 20 Figura 2 . Ensayo de densidad y absorción de agua para el árido fino ................ 28 Figura 3. Ensayo de densidad y absorción de agua para los áridos gruesos ....... 29 Figura 4. Preparación de mezclas de hormigón .................................................. 32 Figura 5. Representación del Cono de Abrams ................................................... 33 Figura 6. Confección y curado de probetas ......................................................... 34 Figura 7. Refrentado de probetas ........................................................................ 36 Figura 8. Ensayo de Compresión ........................................................................ 37 Figura 9. Ensayo de Tracción por Flexión .......................................................... 40 Figura 10 . Gráfico Caso C, debido a curvas granulométricas de los áridos grueso y fino. ........................................................................................................ 52 Índice de Gráficos Gráfico 1. Curva granulométrica de los áridos.................................................... 26 Gráfico 2. Resistencia máxima a la compresión v/s tipo de mezcla.................... 38 Gráfico 3. Resistencia máxima a la tracción por flexión v/s tipo de mezcla....... 41 Gráfico 4. Curva granulométrica de la Arena ..................................................... 46 Gráfico 5. Curva granulométrica de la roca volcánica ........................................ 47 Gráfico 6. Curva granulométrica de la gravilla ................................................... 48 Gráfico 7 . Representación gráfica de la dosificación .......................................... 53

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Índice de Tablas Tabla 1 . Serie de tamices para áridos .................................................................. 10 Tabla 2. Nomenclatura y detalle de cada mezcla ................................................ 15 Tabla 3 . D a y D n del árido grueso y fino.............................................................. 27 Tabla 4. Densidades y absorción de agua de la arena ......................................... 28 Tabla 5 . Densidades y absorción de agua de los áridos gruesos ......................... 30 Tabla 6. Dosificación para cada mezcla .............................................................. 31 Tabla 7 . Asentamiento del hormigón .................................................................. 33 Tabla 8. Resistencia a la compresión .................................................................. 38 Tabla 9. Resistencia a la tracción por flexión...................................................... 41 Tabla 10 . Granulometría arena ............................................................................ 46 Tabla 11. Granulometría inicial Roca volcánica ................................................. 47 Tabla 12. Granulometría Gravilla........................................................................ 48 Tabla 13. Valores para determinación de densidades de los áridos gruesos ....... 49 Tabla 14. Valores para determinación de densidades del árido fino ................... 49 Tabla 15. Valores de M ....................................................................................... 50 Tabla 16. Valores de N ........................................................................................ 50 Tabla 17. Resistencia media de dosificación (fd)................................................ 51 Tabla 18. Coeficiente E ....................................................................................... 51 Tabla 19. Resistencia v/s Razón Agua/Cemento................................................. 51 Tabla 20. Contenido de Aire según Tamaño Máximo Nominal [1/m 3 ] .............. 52 Tabla 21 . Datos para determinar la resistencia a la compresión 100% gravilla .................................................................................................................. 54 Tabla 22. Datos para determinar la resistencia a la compresión 75% Gravilla-25% Roca volcánica............................................................................... 54 Tabla 23. Datos para determinar la resistencia a la compresión 50% Gravilla-50% Roca volcánica............................................................................... 55 Tabla 24. Datos para determinar la resistencia a la compresión 25% Gravilla-75% Roca volcánica............................................................................... 55 Tabla 25. Datos para determinar la resistencia a la compresión 100% Roca volcánica............................................................................................................... 56

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Tabla 26. Datos para determinar la resistencia a la tracción por flexión 100% gravilla ....................................................................................................... 57 Tabla 27. Datos para determinar la resistencia a la tracción por flexión 75% Gravilla-25% Roca volcánica............................................................................... 57 Tabla 28. Datos para determinar la resistencia a la tracción por flexión 50% Gravilla-50% Roca volcánica............................................................................... 58 Tabla 29. Datos para determinar la resistencia a la tracción por flexión 25% Gravilla-75% Roca volcánica............................................................................... 58 Tabla 30. Datos para determinar la resistencia a la tracción por flexión 100% Roca volcánica ........................................................................................... 59 Tabla 31 . Datos técnicos de betonera .................................................................. 65

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1. CAPÍTULO I: PRESENTACIÓN DEL PROYECTO

1.1 INTRODUCCIÓN La Región de la Araucanía es una zona en la que geológicamente predominan los volcanes y, tanto en la superficie como en el subsuelo, existen vestigios de las erupciones que han ocurrido durante siglos, ya sea de volcanes actualmente activos como por los que ya no lo están. La Región presenta una cantidad considerable de formaciones volcánicas entre las que destacan, volcanes, fisuras, cráteres adventicios o parásitos, entre otras. Entre los volcanes que se destacan se encuentran; Volcán Villarrica, Quetrupillán, Lanín, Llaima, Lonquimay, Sollipulli y Tolhuaca. Producto de la cantidad de volcanes presentes es que se puede hallar una fuente significativa de material rocoso, el cual se ha generado y acumulado durante siglos de erupciones sin un uso determinado. De aquí surge la necesidad de encontrar una utilidad a estos recursos, por lo que se busca la manera de exhibir el posible aprovechamiento de la roca volcánica y, en este caso en particular, en el desempeño asociado a la elaboración del hormigón. Parte del proyecto se centra en estudiar las propiedades físicas y mecánicas, tales como granulometría, densidad y absorción de agua. Que son necesarias para la obtención de una dosificación de hormigón y posteriormente remplazar de manera gradual la porción de agregado grueso para la elaboración de probetas de hormigón, tanto cilíndricas como prismáticas, y así obtener la resistencia a la compresión y resistencia de tracción por flexión respectivamente. La sustitución de material parte con una dosificación experimental de resistencia de diseño de 25 [MPa], reemplazando en porcentajes el árido grueso, partiendo de una composición de 100% gravilla, luego 75% gravilla y 25% roca volcánica; 50% gravilla y 50% roca volcánica; 25% gravilla y 75% roca volcánica; y por último 100% roca volcánica. Para que dicha sustitución sea representativa se iguala la granulometría de la roca volcánica a la de la gravilla.

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Una vez confeccionadas las probetas, y luego de los 28 días, correspondientes al curado para que el hormigón alcance su resistencia máxima, se proceden a ensayar obteniendo las resistencias propias de cada mezcla.

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OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General Analizar la resistencia a la compresión y tracción por flexión de diferentes mezclas de hormigón, utilizando roca volcánica en remplazo de la gravilla, con un diseño de dosificación estándar. 1.2.2 Objetivos Específicos 1. Realizar ensayos a muestras de roca volcánica, gravilla y arena, para obtener las propiedades físicas y mecánicas esenciales para una dosificación de hormigón. 2. Establecer las dosificaciones para cada proporción de mezcla, considerando una resistencia diseño de 25 [MPa]. 3. Analizar la resistencia máxima del hormigón para cada diseño de mezcla. 4. Comparar resultados para proponer el uso de la mejor dosificación. ALCANCES Y LIMITACIONES El desarrollo del proyecto se limita a estudiar la granulometría, absorción de agua y densidad de la roca volcánica, gravilla y arena, que son fundamentales para la obtención de una dosificación con el método Faury-Joisel. Además, se definen las distintas dosificaciones, según el porcentaje de remplazo de material, para una resistencia de diseño de 25 [MPa]. El remplazo de material es exclusivo del agregado grueso (roca volcánica por gravilla). También es analizada la trabajabilidad del hormigón y la resistencia a la compresión y tracción por flexión de las probetas confeccionadas en base a este, evaluando los resultados derivados de los ensayos de resistencia máxima después de 28 días correspondientes al curado de las probetas. 1.3

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2. CAPÍTULO II: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1 ANTECEDENTES La conciencia por temas medioambientales y la difusión del término de sostenibilidad se han incorporado en los últimos tiempos en la conciencia social y profesional, de los ciudadanos y técnicos. Como señala González, E. (2012) “esto acarrea una profunda reconversión de la situación económica actual, basada en la explotación de los recursos naturales, de manera que no repercuta en el entorno buscando una relación directa en la planificación sostenible del medio ambiente y la sostenibilidad económica”. Para ello, es necesario implementar estrategias que fusionen estas ideas y el cumplimiento requerido para el uso de hormigones en la industria. El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleado en el mundo, el cual está constituido principalmente por áridos, agua y cemento. Eventualmente contiene también una pequeña proporción de aire y aditivos utilizados para modificar algunas de sus propiedades. “ El árido utilizado es un material granular compuesto de partículas de origen pétreo de diferentes tamaños, duras y estables, cuyo objeto básico es constituir un esqueleto inerte para el hormigón. Generalmente se integra mediante dos o más fracciones, cada una de las cuales contiene una gama diferente de tamaños de partículas ” (Zabaleta, H., 1992, p. 10). Existe un amplio diseño de mezclas de hormigón, las que puede hacer variar su resistencia, trabajabilidad, durabilidad, entre otras. Varios autores proponen que a las mezclas de hormigón se le incorporen materiales en condición de desecho, para estudios de mejora de propiedades mecánicas o bien para disminuir costos. González (2012) valora los efectos de las propiedades mecánicas de mezclas con áridos reciclados procedentes de residuos del propio hormigón. A su vez, analiza y adapta el método de dosificación ACI al método Bolomey y, de esa manera, corrobora los resultados que se desprenden de dicha técnica.

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Cendoya (2009) estudia de forma experimental la resistencia a la flexotracción de hormigones fabricados con escorias de fundición de cobre en reemplazo del árido fino, en distintas proporciones, analizado la trabajabilidad del hormigón fresco, la densidad y la resistencia a la flexotracción en el hormigón endurecido.

2.2 USO DE ROCA VOLCÁNICA DEL VOLCÁN VILLARRICA

El Volcán Villarrica es uno de los volcanes con mayor registro histórico de erupciones de Sudamérica. Posee un cráter abierto de 200 metros de diámetro, con fumarola continua y un lago de lava cuasi permanente, cuya superficie posee altura variable. El Volcán Villarrica comenzó su actividad hace unos 650.000 años. Ha desarrollado erupciones explosivas y efusivas, con emisión de material magmático, esencialmente, de composición basáltica a andesítico-basáltica, en forma de flujos de lava, caída de tefra, flujos piroclásticos y lahares. Producto de su actividad explosiva postglacial se generaron voluminosos flujos piroclásticos y la formación de calderas. Las erupciones históricas han variado desde efusivas a moderadamente explosivas, y el peligro más recurrente consiste en la formación de lahares altamente destructivos. Además de lahares, otros peligros asociados al Volcán son la caída de proyectiles balísticos en las proximidades del cráter; los flujos de lava, confinados a los valles y quebradas; la caída de tefra, con una distribución mayor y dependiente de la dirección del viento; y de manera menos frecuente, los flujos piroclásticos, Servicio Nacional de Geología y Minería, 2021 (SERNAGEOMIN). Se tiene conocimiento que se ha concluido que la ceniza volcánica, en general, se usa para reemplazar en parte el cemento en hormigones de construcción, llegando a ser incluso más resistentes y ecológicos de lo usual. El uso en específico de la roca volcánica como agregado para hormigón en reemplazo del árido grueso se desconoce a la fecha, es por esto que este proyecto de título se centra en estudiar esta hipótesis.

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2.3 ENSAYO DE COMPRESIÓN La resistencia a la compresión es una de las propiedades más importantes del hormigón y se define como la capacidad para soportar una carga por unidad de área, expresándose en términos de esfuerzo (kg/cm 2 , MPa, PSI). Existen pruebas que permiten conocer el comportamiento final de una estructura, en base a una necesidad específica, de tal manera que la compresión del concreto puede diseñarse de acuerdo con una amplia variedad de propiedades mecánicas y de durabilidad. Esta resistencia es posible evaluarla a través de probetas de hormigón, ya sean cilíndricas o cúbicas. La NCh 1037 of. 2009 “ establece el método de ensayo a la rotura por compresión de probetas cúbicas y cilíndricas de hormigón ”, mediante el uso de una prensa de ensayo que aplica una carga axialmente, la cual debe contar con una rigidez suficiente para resistir los esfuerzos del ensayo sin alterar las condiciones de distribución uniforme de las tensiones en la probeta. Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión, se emplean fundamentalmente para determinar que la mezcla de concreto suministrada cumpla con los requerimientos de la resistencia especificada (f´c) para el diseño. ENSAYO DE TRACCIÓN Es una medida de la resistencia a la falla por momento de una viga o losa de concreto no reforzada. La resistencia a tracción del hormigón es mucho menor que su resistencia a compresión, en torno a un 10%, y limita, en muchos casos, el uso de este material. La NCh 1038 of. 2009 “ establece los procedimientos de ensayo de tracción por flexión a la rotura de probetas prismáticas de hormigón simplemente apoyadas ”. Los ensayos de flexión son extremadamente sensibles a la preparación, manipulación y procedimientos de curado de las probetas. Las vigas son muy pesadas y pueden ser dañadas cuando se manipulan. Además, es imprescindible mantener las probetas lo más humedecidas posible, ya que al secarse darán como resultado resistencias más bajas. Las vigas deben ser curadas de acuerdo a normativa, y ensayadas mientras se encuentren húmedas. El cumplimiento de todos estos requerimientos en el lugar de trabajo es extremadamente difícil lo que 2.4

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da frecuentemente como resultado valores de Módulo de Rotura no confiables y generalmente bajos. Zabaleta, H. (1992) expresa que esto se debe por una parte a la forma de ejecución del ensayo, existiendo tres formas distintas para efectuarlo: por tracción directa, por flexión y por tracción indirecta, cada uno de los cuales conduce a valores sensiblemente diferentes. 2.4.1 Ensayo de Tracción Directa Consiste en la aplicación de dos cargas opuestas colineales con el eje de la probeta que se ensaya. Este ensayo no ha sido normalizado siendo de difícil ejecución, por no existir procedimientos seguros para la transmisión de las cargas, que eviten la concentración de tensiones o excentricidades en las caras de carga, las que, al producirse, introducen factores importantes de error en los ensayos. Actualmente el ensayo se efectúa ubicando una probeta prismática a las placas de la prensa que aplica las cargas de tracción, lo que ha simplificado su ejecución. Por otra parte, como el valor de la resistencia a la tracción directa no es normalmente considerado como parámetro de diseño, existen pocos estudios que lo correlacionen con los otros ensayos de tracción o con el de compresión. 2.4.2 Ensayo de Tracción por Flexión Consiste en someter una vigueta de hormigón a un ensayo de flexión mediante una o dos cargas concentradas. Este ensayo ha sido normalizado por la NCh 1038 of. 2009, en la cual se establece que si la altura de la vigueta de ensayo es inferior a 15 [cm]. debe efectuarse la aplicación de una carga centrada en su luz libre, y si es mayor dicha dimensión debe efectuarse con cargas concentradas aplicadas en los tercios de la luz libre. Es también un ensayo de ejecución relativamente compleja, principalmente porque requiere de un equipamiento de moldes y prensa que no son comunes en todos los laboratorios. 2.4.3 Ensayo de Tracción Indirecta o Hendimiento Consiste en someter a una probeta cilíndrica o cúbica a una carga lineal concentrada según dos ejes longitudinales opuestos. Al aumentar estas cargas, la rotura se produce por tracción según el plano formado por los ejes de carga.

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Este ensayo ha sido normalizado por NCh 1170 of. 2012. El ensayo es de simple ejecución. pero presenta el inconveniente de que el valor para la tensión de rotura se obtiene por exceso, a causa del efecto de compresión producido en torno a la línea de carga. Algunos investigadores han propuesto correcciones para este efecto, pero ellas aún no son consideradas por las Normas que regulan este ensayo. DOSIFICACIÓN La dosificación del hormigón tiene por objeto determinar las proporciones en que se mezclan los distintos componentes del mismo para obtener masas y hormigones que reúnan las características y propiedades en el proyecto (Montoya, P., 2001, p. 48). Así mismo, se pretende que la mezcla se comporte según algunos requisitos predeterminados, siendo los más importantes, en general, la trabajabilidad del hormigón fresco, la resistencia alcanzada por el hormigón endurecido a una edad determinada y la durabilidad de este hormigón. Por otra parte, la dosificación tiene como propósito la producción de una mezcla que cumpla con todos estos requerimientos al menor coste posible (González, E., 2012, p. 14). En la actualidad existen diversos tipos de métodos para dosificar, a lo que distintos autores se dedican, por lo que no hay un solo método específico, por lo tanto, no hay una solución definitiva a dicho asunto. Es por esto, que se deben estudiar los métodos de dosificación más significativos, para poder manejar, entender y aplicar de mejor forma este tema. Generalmente, los métodos de dosificación pueden dividirse en dos grandes grupos fundamentales. El primero, formado por los que tienen como dato principal de partida la dosificación de cemento, tales como, Fuller, Bolomey, Faury, Joisel, Vallete y Dreux, y el segundo los que tienen como finalidad encontrar las proporciones en que hay que mezclar a los componentes para conseguir un hormigón con una resistencia a compresión determinada, de los que salen el método de la Peña, A.C.I. y C.C.C.A. (González, E., 2012, p. 14). Aunque las biografías que existen sobre dosificación son numerosas, a continuación, se presentaran una de cada grupo, las más utilizadas. 2.5

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2.5.1 Método de Faury-Joisel Este método se utiliza para dosificar en el Laboratorio Nacional de Vialidad (LNV), al cual se le han introducido algunas modificaciones con el fin de adaptarlo en mejor forma a los usos más corrientes de Vialidad. Está basado en principios granulométricos. Se trata de obtener una curva granulométrica de referencia o mezcla ideal (L), combinando el cemento con los áridos disponibles, la cual está definida por el tamaño máximo nominal del árido grueso (D n ) y la resistencia del hormigón que se desea obtener, llamada resistencia de diseño (fd), a 28 días, Ministerio de Obras Públicas (MOP 2015). 2.5.2 Método de Dosificación ACI Este método se estableció en 1944 por el American Concrete Institute (ACI) y ha variado un poco desde esa fecha, debido a mejoras que cada día se van descubriendo. De este método se obtiene una aproximación de la mezcla ideal de los agregados básicos que componen el hormigón; áridos grueso y fino, agua y cemento, que tengan una consistencia adecuada para lo que se desee construir, teniendo en cuenta los ajustes necesarios en laboratorio con hormigones de prueba. Además, las proporciones de los ingredientes que entran en la mezcla corresponden a un balance entre economía y especificaciones del hormigón, como colocación, resistencia, durabilidad, densidad, y propiedades arquitectónicas (MOP 2015). El procedimiento que se utiliza para la selección de los materiales consta de 9 pasos: elección de asentamiento del Cono de Abrams, elección del tamaño máximo del agregado pétreo, estimación de la dosis de agua y contenido de aire, selección de la razón de agua/cemento, cálculo de la cantidad de cemento, estimación de la dosis de árido grueso, estimación del contenido de agregado fino, ajustes de la humedad de los agregados y finalmente, ajustes con mezclas de prueba.

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3. CAPÍTULO III: MARCO TEÓRICO

3.1 GRANULOMETRÍA El proceso se basa en la normativa NCh 165 of. 2009 “ Áridos para morteros y hormigones – Tamizado y determinación de la granulometría ” y consiste en separar una cierta cantidad de material de masa conocida en estado seco, a través de una serie de tamices dispuestos en abertura decreciente establecidos por el procedimiento. De esta manera se obtiene la distribución de las partículas del árido de acuerdo a su tamaño, determinando los porcentajes de material retenidos en cada tamiz y formulando la granulometría de acuerdo al porcentaje que pasa. 3.1.1 Tamaño máximo nominal y Tamaño máximo absoluto El tamaño máximo absoluto de un árido (D a ) corresponde a la abertura del menor tamiz inmediatamente menor que D a , cuando por dicho tamiz pase el 90% o más de la masa de un árido. Cuando pasa menos del 90%, el tamaño máximo nominal se considerará igual al tamaño máximo absoluto, mientras que el tamaño máximo nominal del árido (D n ) corresponde a la abertura del tamiz inmediatamente menor que D a , Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC). 3.1.2 Áridos La extracción y preparación de los áridos es efectuada conforme con lo establecido por la norma NCh 164 of. 2009 “ Áridos para morteros y hormigones – Extracción y preparación de muestras ”. La serie de tamices empleada para llevar a cabo el ensayo es la serie combinada que se detalla a continuación.

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Tabla 1 . Serie de tamices para áridos

Serie de tamices para áridos Serie combinada (mm)

50,00 37,50 25,00 19,00 12,50

9,50 4,75 2,36 1,18 0,60 0,30 0,15 [Fuente: NCh 164 of. 2009]

3.2 DENSIDAD REAL, DENSIDAD NETA Y ABSORCIÓN DE AGUA

La densidad se puede definir como la relación entre la masa y el volumen de un material o sustancia y para este caso en particular, se expresa en unidades de kilogramo sobre metro cúbico (kg/m 3 ). Este ensayo se efectúa tanto para áridos finos como para áridos gruesos. 3.2.1 Árido Fino La determinación de las densidades para las arenas se rige por la norma NCh 1239 of. 2009 “ Áridos para morteros y hormigones – Determinación de las densidades real y neta y de la absorción de agua de las arenas ” y se efectúa a muestras gemelas de material. A continuación, se presentan las fórmulas para determinar los objetivos del ensayo:

 Densidad real del árido saturado superficialmente seco (ρ Rsss):

m sss M +msss−Mm

×1000

=

(1)

10

Densidad real del árido seco (ρ Rs):



ms M +msss−Mm

×1000

=

(2)

Densidad neta (ρ N):



ms M +ms−Mm

×1000

=

(3)

Absorción de agua (ɑ): ɑ=



m sss − ms ms

×100%

(4)

Siendo: m sss: Masa de la muestra en condición saturada superficialmente seca, expresada en gramos (g). Mɑ: Masa del matraz con agua hasta la marca de calibración, expresada en gramos (g). Mm: Masa del matraz con el contenido de la muestra de ensayo y el agua, expresada en gramos (g). ms: Masa de muestra de ensayo en condición seca, expresada en gramos (g). 3.2.2 Árido Grueso La densidad de los áridos gruesos obedece a lo establecido por la norma NCh 1117 of. 2010 “ Árido para morteros y hormigones – Determinación de densidades reales y neta y de la absorción de agua de las gravas ” y se realiza a muestras gemelas de material. Rige tanto para la gravilla, como para la roca volcánica. Las fórmulas que se emplean para el cálculo de las densidades y la absorción de agua se detallan a continuación:

11

 Densidad real del árido saturado superficialmente seco (ρRsss).

B−A

×1000

=

(5)

Densidad real del árido seco ( ).



B−A

×1000

=

(6)

Densidad neta (ρN)



C−A

×1000

=

(7)

Absorción de agua.



− C

×1000

!"#$ó&=

(8)

3.3 DOSIFICACIÓN FAURY – JOISEL (JL) El cálculo de la dosificación se realiza según el Curso de Laboratorista Vial, Volumen 6 (MOP, 2015). Este método está basado en principios granulométricos, en donde se trata de obtener una curva granulométrica de referencia o mezcla ideal (L), combinando cemento y áridos, la que se define por el tamaño máximo nominal del árido grueso (D n ) y la resistencia del hormigón que se desea obtener (fd), a 28 días. La curva ideal L se representa colocando en el eje de las ordenadas el porcentaje en volumen absoluto de los materiales sólidos, a escala lineal, y en el eje de las abscisas las raíces quintas de la abertura de los tamices, en mm.

12

Se establece en forma simplificada la curva de referencia ideal como una mezcla, en proporciones variables. Para la contribución de la curva ideal (Figura 10. Gráfico Caso C, debido a curvas granulométricas de los áridos grueso y fino. Figura 10, Anexo A.3), se utilizan valores de M (coeficiente que depende del tipo de partículas de los áridos, del grado de compactación a exigir y de la consistencia del hormigón Tabla 15, Anexo A.3) y N (Coeficiente que depende del tamaño máximo nominal del árido a emplear Tabla 16, Anexo A.3). Este método se divide en 5 partes, las cuales se indican a continuación: Determinación de los sólidos: Se busca establecer las proporciones en que se debe mezclar los materiales para acercarse lo más posible al hormigón ideal, en donde la suma de los volúmenes absolutos del cemento (c), árido fino (f) y árido grueso (g) deben ser iguales a uno: 

#+'+ =1

(9)

Determinación del cemento: El parámetro fundamental de la resistencia mecánica del hormigón es la cantidad de cemento. Por lo tanto, para la determinación de ésta, se debe basar en la resistencia exigida por el proyecto fp, que a lo menos debe ser igual a f’c. La determinación del cemento está dada por la siguiente expresión (kg/m 3 ):



='(∗*

(10)

Donde fd es la resistencia media de dosificación y el coeficiente E varía dependiendo del tipo de cemento a usar. Ambos valores se obtienen de la Tabla 17 y Tabla 18, respectivamente (Anexo A.3).

13

Agua de amasado: La cantidad de agua de amasado está dada por la expresión (l/m 3 ):



= ∗ ( / )

(11)

En que, A/C es la razón agua/cemento y se obtiene de la Tabla 19 (Anexo A.3).

Determinación de la Compacidad: Se define como aquel volumen de hormigón que está disponible para ser ocupado por los áridos y el cemento. La compacidad dada por la siguiente expresión:



. = 1 − ℎ [ ] ℎ=ℎ2+ 2

(12)

(13)

En que h es el volumen que ocupa el agua de amasado (Aa) y el aire ocluido (ha), obtenido en función del tamaño máximo nominal de la Tabla 20 (Anexo A.3).

 Densidad de las partículas de cemento: El porcentaje en volumen correspondiente a la cantidad de cemento determinada (C) queda dado por la expresión:

.∗ #

=

(14)

En que # es la densidad de las partículas sólidas de cemento.

14

Se determinó una dosificación para cada mezcla según el porcentaje de reemplazo. En la siguiente tabla, se presenta la nomenclatura que se le dará a cada tipo de mezclas utilizadas en este proyecto.

Tabla 2. Nomenclatura y detalle de cada mezcla

Mezcla

Detalle

Mezcla 1 Mezcla 2 Mezcla 3 Mezcla 4 Mezcla 5

Mezcla con 100% gravilla

Mezcla con 75% gravilla y 25% roca volcánica Mezcla con 50% gravilla y 50% roca volcánica Mezcla con 25% gravilla y 75% roca volcánica

Mezcla 100% roca volcánica [Fuente: Elaboración propia 2022]

3.4 PREPARACIÓN DE MEZCLAS DE HORMIGÓN El procedimiento para la preparación de mezclas de hormigón cumple con lo establecido en la norma chilena NCh 1018 of. 2009 “ Hormigón – Preparación de mezclas para ensayo en laboratorio ”.

3.5 ASENTAMINETO MEDIANTE EL CONO DE ABRAMS

El ensayo determina la docilidad del hormigón fresco mediante el método del Cono de Abrams, basado en la NCh 1019 of. 2009 “ Hormigón – Determinación de la docilidad – Método del asentamiento del Cono de Abrams ” CONFECCIÓN DE PROBETAS La confección de probetas obedece a la normativa NCh 1017 of. 2009 “ Hormigón – Confección en obra y curado de probetas para ensayos de compresión, tracción por flexión y por hendimiento ” y determina el procedimiento para la confección, protección y curado inicial de las probetas de hormigón fresco. REFRENTADO DE PROBETAS El refrentado de probetas consiste en corregir la superficie de contacto de las probetas de hormigón que se someten a ensayo de resistencia. El procedimiento está basado en la normativa NCh 1172 of. 2010 “ Hormigón – Refrentado de probetas ”. El refrentado se puede efectuar por diferentes métodos: rectificado, 3.6 3.7

15

refrentado adherido con mortero de azufre, refrentado no adherido y refrentado adherido con pasta de cemento. Para este caso se aplicó la técnica de refrentado adherido con mortero de azufre y solo para las probetas cilíndricas ensayadas a la compresión. El material para el refrentado adherido debe cumplir con una resistencia mínima que debe ser sobre los 35 [MPa] o la resistencia del hormigón, la que sea mayor. Además, de un espesor máximo que va entre los 6 [mm] y 8 [mm]. La superficie de carga de las probetas debe asegurar una planeidad y perpendicularidad determinada. Para verificar la resistencia del mortero de azufre se le debe realizar un ensayo de resistencia, el cual fue ejecutado y aprobado por el Departamento de Ingeniería en Obras Civiles de la Universidad de la Frontera (Anexo B.1). ENSAYO DE COMPRESIÓN El ensayo de compresión cumple con lo establecido en la normativa NCh 1037 of. 2009 “ Ensayo de compresión de probetas cúbicas y cilíndricas ” y establece el método de ensayo a la rotura por compresión de probetas de hormigón. Las probetas son acondicionadas según la NCh 1017 of. 2009. Las fórmulas relacionadas a los cálculos se expresan a continuación: 3.8

Sección de probetas cilíndricas:



=0,196(( 6 +( 7 ) 7

(15)

Resistencia a la compresión:



8

=

(16)

16

Siendo: R= tensión de rotura, expresada en megapascales (MPa). P= carga máxima aplicada por la máquina de ensayo, expresada en newton (N). S= sección de ensayo, expresada en milímetros cuadrados (mm 2 ).

Densidad aparente:



=

9:& $(2( 2;2":&<: =

(17)

Siendo: m= masa de la probeta, expresada en kilogramos (kg) V= volumen de la probeta, expresada en metros cúbicos (m 3 ). Determinándose V como:

== ×ℎ

(18)

Donde: S= sección de ensayo. H= altura promedio, expresada en milímetros (mm).

3.9 ENSAYO DE TRACCIÓN POR FLEXIÓN El ensayo de tracción por flexión se basa en lo establecido por la normativa NCh 1038 of. 2009 “ Hormigón – Ensayo de tracción por flexión ” y determina los procedimientos de ensayos a la rotura de probetas prismáticas de hormigón simplemente apoyadas. Las probetas son obtenidas según lo señalado en la NCh 1017 of. 2009. Las formulas asociadas a la determinación de la resistencia para este ensayo se expresan a continuación:

17

 Resistencia a la tracción por flexión como tensión de rotura:

8×> ×ℎ 7

=

(19)

Siendo: R= tensión de rotura, expresada en Megapascales (MPa). P= carga máxima, expresada en newton (N). b= ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, expresado en milímetros (mm). h= altura promedio de la probeta en la sección de rotura, expresado en milímetros (mm).

Densidad aparente:



== ×ℎ×?

(20)

Siendo: b= ancho promedio de la probeta en la sección de rotura (mm). h= altura promedio de la probeta en la sección de rotura (mm). l= largo promedio de la probeta, expresada en milímetros (mm).

@ =

9:& $(2( 2;2":&<: =

(21)

Siendo: M= masa de la probeta inmediatamente antes del ensayo, expresada en kilogramos (kg). V= volumen de la probeta, expresada en metros cúbicos (m 3 ).

18

4. CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA

4.1 ANTECEDENTES GENERALES El proyecto de estudio se divide en una serie de fases que facilitan el proceso continuado del mismo (Figura 1). En la primera fase, se desarrollan los ensayos a los áridos, tanto a la gravilla, roca volcánica y arena, que permiten obtener los parámetros necesarios para la dosificación del hormigón. Una vez obtenidos los resultados, en la fase dos se procede a generar la dosificación con el método de Faury-Joisel. A continuación, en la tercera fase, se acondiciona el material para que esté en estado óptimo para la preparación de la mezcla de hormigón, enfatizando que la granulometría de la roca volcánica es forzada para igualarse a la granulometría de la gravilla, de este modo el remplazo de material es equivalente. En la cuarta fase se confeccionan las probetas cilíndricas y prismáticas correspondientes a los ensayos de compresión y tracción por flexión respectivamente. La fase cinco corresponde al curado de probetas en condiciones idóneas para que alcancen su máxima resistencia. En la fase seis se ejecutan los ensayos de compresión y tracción por flexión. Posteriormente, en la séptima fase se analizan los resultados obtenidos en cada ensayo. Y finalmente en la fase ocho se establecen las conclusiones y recomendaciones del proyecto.

19

Ensayo a compresión y tracción por flexión

Ánalisis de resultados

Ensayos a los áridos

Dosificación mediante Faury Joisel

Conclusiones y recomendaciones

Curado de probetas

Confección de probetas

Acondicionamiento del material

Figura 1 . Esquema de desarrollo del proyecto [Fuente: Elaboración propia 2022]

4.2 GRANULOMETRÍA Para determinar la granulometría de la arena, la serie de tamices que se utiliza para efectos del ensayo está comprendida entre el tamiz de abertura igual a 0,15 [mm] y el 4,75 [mm]. En tanto para los áridos gruesos, incluye desde el tamiz de 4,75 [mm] hacia la parte ascendente que puede llegar a los 50 [mm] en este caso (Tabla 1). En primer lugar, se extrae una muestra mínima, esta es llevada al horno a una temperatura determinada 110°C +/- 5°C. Una vez que el material alcance masa constante, se retira y se deja enfriar, asegurándose que no adquiera humedad nuevamente. Cuando la muestra está en condiciones se procede con el tamizado, que se puede realizar de forma manual o mecánica. Para objeto del remplazo representativo de la porción de agregado grueso, es que se determina que la granulometría de la roca volcánica es forzada, igualándose a la granulometría de la gravilla. De aquí surge el concepto de granulometría forzada.

20

4.3 DENSIDAD REAL, DENSIDAD NETA Y ABSORCIÓN DE AGUA

En los siguientes puntos, se muestra el procedimiento para la obtención de la densidad real, neta y absorción de agua para el árido fino y para los áridos gruesos.

4.3.1 Árido Fino La muestra se condiciona según los establecido por la NCh 164 of. 2009. Luego se deja secar a masa constante, una vez seca y fría, se sumerge por 24 h +/- 4 h. Terminada la inmersión se extiende la muestra expuesta sobre una superficie a una corriente de aire suave y caliente. Posteriormente con la ayuda de un molde y pisón estandarizados, se compacta una porción de material (la capacidad del molde). Al retirar el molde de manera vertical y si la porción de arena conserva su forma es porque existe humedad libre por lo que el procedimiento se debe repetir, teniendo la precaución de revolver el material para asegurar un secado uniforme. Repetir el procedimiento a intervalos frecuentes hasta que, al momento de retirar el molde, el cono de arena se asiente según su talud natural. Esto indica que la arena a alcanzado su condición de saturada superficialmente seca (m sss) y se debe separar una porción mínima para continuar con el ensayo. La porción separada se coloca en un matraz que luego se llena hasta casi la marca de calibración, luego de 1 hora en reposo se llena hasta dicha marca. Medir la masa de todo el conjunto (Mm). Luego se lleva el material al horno procurando que no haya pérdida de material hasta que se encuentre a masa constante, una vez fría se registra la muestra en condición seca (ms). Finalmente se mide la masa del matraz lleno con agua hasta la marca de calibración (Ma). Con estos valores se obtiene la densidad real, mediante la ecuación (1) y (2), la densidad neta, por medio de la ecuación (3), y la absorción de agua, según la ecuación (4). 4.3.2 Árido Grueso La muestra es acondicionada de acuerdo a la NCh 164 of. 2009 y se deben eliminar las partículas menores a 4,75 [mm]. A continuación, se debe lavar la muestra para

21