Semana 6 y 7 : Agregados

AGREGADOS

I. DEFINICION:

Generalmente se entiende por "agregado" a la mezcla de arena y piedra de granulometría variable. El concreto es un material compuesto básicamente por agregados y pasta cementicia, elementos de comportamientos bien diferenciados:

• Se define como agregado al conjunto de partículas inorgánicas de origen natural o artificial cuyas dimensiones están comprendidas entre los límites fijados en la NTP 400.011.
• Los agregados son la fase discontinua del concreto y son materiales que están embebidos en la pasta y que ocupan aproximadamente el 75% del volumen de la unidad cúbica de concreto.
• Los agregados son materiales inorgánicos naturales o artificiales que están embebidos en los aglomerados (cemento, cal y con el agua forman los concretos y morteros).
• Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm.
• Los agregados conforman el esqueleto granular del concreto y son el elemento mayoritario ya que representan el 80-90% del peso total de concreto, por lo que son responsables de gran parte de las características del mismo. Los agregados son generalmente inertes y estables en sus dimensiones.
• La pasta cementicia (mezcla de cemento y agua) es el material activo dentro de la masa de concreto y como tal es en gran medida responsable de la resistencia, variaciones volumétricas y durabilidad del concreto. Es la matriz que une los elementos del esqueleto granular entre sí.
• Cada  elemento tiene su rol dentro de la masa de concreto y su proporción en la mezcla es clave para lograr las propiedades deseadas, esto es: trabajabilidad, resistencia, durabilidad y economía.

II. CLASIFICACION DE LOS AGREGADOS:

Existen varias formas de clasificar a los agregados, algunas de las cuales son:

II.I. POR SU NATURALEZA:

Los agregados pueden ser naturales o artificiales, siendo los naturales de uso frecuente, además los agregados utilizados en el concreto se pueden clasificar en: agregado grueso, fino y hormigón (agregado global).

II.I.I. El agregado fino, se define como aquel que pasa el tamiz 3/8" y queda retenido en la malla N° 200, el más usual es la arena producto resultante de la desintegración de las rocas.

II.I.II. El agregado grueso, es aquel que queda retenido en el tamiz N°4 y proviene de la desintegración de las rocas; puede a su vez clasificarse en piedra chancada y grava.

II.I.III. El hormigón, es el material conformado por una mezcla de arena y grava este material mezclado en proporciones arbitrarias se encuentra en forma natural en la corteza terrestre y se emplea tal cual se extrae en la cantera.

II.II. POR EL ORIGEN, FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL:

Por naturaleza los agregados tienen forma irregularmente geométrica compuestos aleatoriamente por caras redondeadas y angularidades. En términos descriptivos la forma de los agregados pueden ser:

• Angular: Poca evidencia de desgaste en caras y bordes.
• Sub angular: Evidencia de algo de desgaste en caras y bordes.
• Sub redondeada: Considerable desgaste en caras y bordes.
• Redondeada: Bordes casi eliminados.
• Muy Redondeada: Sin caras ni bordes

III. CLASIFICACION POR SU PESO:

III.I. AGREGADO DE PESO NORMAL:

De peso especifico normal comprendidos entre 2.50 a 2.75

III.II. AGREGADOS DE PESO LIGERO:

Ligeros con pesos específicos menores a 2.5

III.III. AGREGADOS DE GRAN PESO:

Agregados pesados cuyos pesos específicos son mayores a 2.75.

IV. CARACTERISTICAS DE LOS AGREGADOS:

IV.I.  RESISTENCIA AL DESGASTE:

La resistencia a la abrasión, desgaste, o dureza de un agregado, es una propiedad que depende principalmente de las características de la roca madre. Este factor cobra importancia cuando las partículas van a estar sometidas a un roce continuo como es el caso de pisos y pavimentos, para lo cual los agregados que se utilizan deben estar duros.

Para determinar la dureza se utiliza un método indirecto cuyo procedimiento se encuentra descrito en la Normas ICONTEC 93 y Norma ICONTEC 98 para los agregados gruesos. Dicho método más conocido como el de la Máquina de los Angeles, consiste básicamente en colocar una cantidad especificada de agregado dentro de un tambor cilíndrico de acero que está montado horizontalmente. Se añade una carga de bolas de acero y se le aplica un número determinado de revoluciones. El choque entre el agregado y las bolas da por resultado la abrasión y los efectos se miden por la diferencia entre la masa inicial de la muestra seca y la masa del material desgastado expresándolo como porcentaje inicial.

IV.II.  RESISTENCIA A LA COGELACION Y EL DESHIELO:

Se espera que el concreto empleado en estructuras y pavimentos tenga una vida larga y poco mantenimiento.

El concreto debe tener una buena durabilidad para resistir a condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo potencialmente más destructivo es la congelación y deshielo (hielo-deshielo) mientras el concreto está húmedo, principalmente en la presencia de anticongelantes (descongelantes). El deterioro es causado por la congelación del agua y su posterior expansión en la pasta, agregado o ambos.

Con el empleo de aire incluido, el concreto es altamente resistente a este tipo de deterioración, como se puede observar en la Figura 1-25. Durante la congelación, el agua desplazada por la formación de hielo en la pasta se acomoda, no siendo perjudicial; las burbujas microscópicas de aire en la pasta ofrecen cámaras para que el agua entre y entonces alivíese la presión hidráulica generada.

Cuando la congelación ocurre en el concreto que contiene agregado saturado, presiones hidráulicas perjudiciales se pueden crear también en el agregado. El agua, desplazada de las partículas de agregado durante la formación del hielo, no se puede escapar hacia la pasta circundante suficientemente rápido para el alivio de presión. Sin embargo, para la mayoría de las condiciones de exposición, una pasta de buena calidad (baja relación agua-cemento) va a prevenir la saturación de la mayoría de los agregados.

Si la pasta contiene aire incluido, ella va a acomodar la pequeña cantidad de agua en exceso que se pueda expeler  de los agregados, protegiendo así el concreto contra el daño del congelamiento y deshielo.

IV.III.  ESTABILIDAD QUIMICA:

Ciertos agregados pueden ser inadecuados para una aplicación particular de construcción de carreteras debido a la composición química de las partículas del agregado. En las mezclas de asfalto, ciertos agregados que tienen una afinidad excesiva por el agua pueden contribuir a que se levante o remueva el asfalto, lo que conduce a la desintegración de las superficies de asfalto.

Se puede decir que un agregado de naturaleza “hidrofóbica” es aquel que tiene un alto grado de resistencia a la remoción de la capa de asfalto en presencia del agua. Por lo general, se puede suponer que la substancia bituminosa en una mezcla bituminosa está presente en la forma de delgadas películas que rodean a las partículas del agregado y que llenan, por lo menos parcialmente, los espacios vacíos entre partículas adyacentes. Estas delgadas películas de material bituminoso se adhieren a la superficie de los agregados normales y contribuyen a la resistencia al corte de la mezcla; este efecto se considera generalmente como parte de la “cohesión” de la mezcla. Para una exposición continua al agua, ya sea en el laboratorio o en el campo, las mezclas bituminosas que contengan ciertos agregados muestran una tendencia definitiva a perder resistencia al corte, “fortaleza”, debido a una disminución en la cohesión que se debe principalmente al reemplazo de las películas bituminosas que rodean a las partículas del agregado con películas similares de agua. Los agregados que exhiben esta tendencia en un grado marcado y nocivo se llaman agregados “hidrofílicos”, que quiere decir “afines al agua”. Por lo contrario, los agregados que muestran poca o ninguna disminución en la resistencia debido a la remoción de la capa asfáltica se llaman “hidrofóbicos”o “repelentes al agua”.

Para juzgar la resistencia relativa a la remoción del asfalto de los agregados, se han utilizado varios procedimientos de laboratorio diferentes, siendo los más destacados la prueba de remoción del  asfalto y la prueba de inmersión-compresión. La prueba de remoción de asfalto consiste en recubrir al agregado con el material bituminoso, sumergirlo en agua al agregado recubierto durante 16 a 18 h y luego, observar si el área total del agregado recubierto con una película bituminosa está por encima o por debajo del 95 por ciento. La prueba de inmersión-compresión consiste en comparar la resistencia a la compresión de especimenes cilíndricos de una mezcla bituminosa (preparados, moldeados y probados de manera estándar) con reproducciones que han sido sujetas a inmersión en agua por un tiempo definido y estandarizado.

Los agregados que se usan en las mezclas de concreto con cemento portland también pueden causar problemas relacionados con la estabilidad química. En ciertas áreas se ha tenido mucha dificultad con agregados que contienen substancias nocivas que reaccionan adversamente con los álcalis presentes en el cemento. Generalmente las reacciones adversas de alcaliagregado provocan la expansión anormal del concreto. Se han creado métodos (Métodos C227 y C289 de la ASTM) para detectar agregados con estas  características dañinas y se incluyen indicaciones adecuadas en especificaciones típicas (por ejemplo, ASTM C33).

IV.IV.  FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LAS PARTICULAS:

La forma y la textura superficial de las partículas de un agregado influyen en las propiedades del concreto fresco más que las del concreto endurecido. Las partículas con textura áspera, angulares o alongadas requieren más agua para producir un concreto trabajable que agregados lisos, redondeados y compactos. Además, las partículas de agregado angulares requieren más cemento para mantener la misma relación agua-cemento. Sin embargo, con la granulometría satisfactoria, tanto los agregados triturados como los no triturados (de un mismo tipo de roca), generalmente, producen concretos con la misma resistencia, si se mantiene el contenido de cemento. Los agregados angulares o con granulometría pobre también pueden ser más difíciles de bombear.

La adherencia entre la pasta de cemento y un determinado agregado generalmente aumenta con el cambio de partículas lisas y redondeadas por las ásperas y angulares.

Cuando la resistencia a flexión es importante o cuando se necesite alta resistencia a compresión, se debe considerar este aumento de la adherencia al elegirse el agregado para el concreto.

La cantidad de vacíos de los agregados fino y grueso compactados se puede usar como un índice de las diferencias en la forma y la textura de los agregados con la misma granulometría. La demanda de agua de mezcla y cemento normalmente aumentan con el aumento de la cantidad de vacíos. Los vacíos entre las partículas de agregados aumentan con la angularidad del agregado.

El agregado debe ser relativamente libre de partículas planas y alongadas. Una partícula se considera plana y alongada cuando la relación entre longitud y espesor supera un valor especificado. Consulte la ASTM D 4791 para la determinación de las partículas planas y/o alongadas. La ASTM D 3398, COVENIN 0264. IRAM 1681, IRAM 1687, UNIT  1029 fornecen un método indirecto para establecer un índice como una medida general de la textura y forma de las partículas, mientras que la ASTM C 295, IRAM 1649, NMX-C-265, NTC 3773 y UNIT-NM 54 fornecen procedimientos para el examen petrográfico del agregado.

Las partículas planas y alongadas se deben evitar o, por lo menos, limitar a cerca del 15% de la masa total del agregado. Este requisito es igualmente importante para el agregado grueso y para el agregado fino triturado, pues el agregado fino obtenido por la trituración de la roca frecuentemente contiene partículas planas y alongadas.

Estas partículas de agregado requieren un aumento del agua de mezcla y, por lo tanto, pueden afectar la resistencia del concreto, principalmente a flexión, si no se ajusta la relación agua-cemento.

Están disponibles varias máquinas de ensayo para la determinación rápida de la distribución del tamaño de las partículas del agregado. Diseñadas para fornecer una alternativa más rápida al ensayo normalizado de análisis granulométrico, estas máquinas captan y analizan imágenes digitales de las partículas de agregado para determinar la granulometría. La Figura 5-11 enseña un “videograder” que mide el tamaño y la forma de un agregado, usando cámaras para el escáner de línea, donde se construyen imágenes en dos dimensiones para una serie de imágenes en línea. Otras máquinas usan cámaras con escáner de matriz que captan fotos bi-dimensionales del agregado que cae. Maerz y Lusher (2001) desarrollaron un prototipo de un sistema de imágenes dinámicas que provee informaciones sobre el tamaño y la forma de las partículas con el uso de sistema de mini esteras transportadoras para hacer con que los fragmentos individuales pasen delante de dos cámaras sincronizadas y orientadas ortogonalmente.

Videograder para medir el tamaño y la forma de los agregados

IV.V.  GRANULOMETRIA:

La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado tal como se determina por análisis de tamices (norma ASTM C 136). El tamaño de partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre aberturas cuadradas. Los siete tamices estándar ASTM C 33 para agregado fino tiene aberturas que varían desde la malla No. 100(150 micras) hasta 9.52 mm.

Los números de tamaño (tamaños de granulometría), para el agregado grueso se aplican a las cantidades de agregado (en peso), en porcentajes que pasan a traves de un arreglo de mallas. Para la construcción de vías terrestres, la norma ASTM D 448 enlista los trece números de tamaño de la ASTM C 33, mas otros seis números de tamaño para agregado grueso. La arena o agregado fino solamente tine un rango de tamaños de partícula.

IV.VI. PESO VOLUMETRICO UNITARIO:

• Se denomina peso volumétrico del agregado el peso que alcanza un determinado volumen unitario. Generalmente se expresa en kilos por metro cúbico. Este valor es requerido cuando se trata de agregados ligeros o pesados y en el caso de proporcionarse el concreto por volumen.
• El peso volumétrico del agregado varía de acuerdo a condiciones intrínsecas, como la forma, granulometría y tamaño máximo. Asimismo, depende de factores extremos como la relación del tamaño máximo con el volumen del recipiente, la consolidación impuesta, la forma de colocación, etc. En consecuencia para ser de utilidad el ensayo de peso unitario debe ceñirse estrictamente a norma, definiendo si la determinación corresponde al agregado suelto o compactado, según el procedimiento utilizado.

IV.VII. PESO ESPECIFICO:

• Es un índice de calidad que puede utilizarse para separar el material bueno del malo.
• Indica cuanto espacio ocuparán las partículas en la mezcla de concreto.
• Nos sirve para calcular el porcentaje de huecos presentes en el agregado.

El peso especifico es muy necesario para el cálculo del material a utilizar.

IV.VII.I. Peso especifico (densidad).- Es la relación, a una temperatura estable, de la masa de un volumen unitario del material, a la masa del mismo volumen de agua destilada, libre de gas.

IV.VII.II. Peso específico (densidad) aparente.- Es la relación. a una temperatura estable, de la masa en el aire de un volumen unitario de material, a la masa en el aire de igual densidad de un volumen igual de agua destilada libre de gas. Si el material es un sólido, el volumen es aquel de la porción impermeable.

IV.VII.III. Peso específico (densidad) de masa.- Es la relación, a una temperatura estable, de la masa en el aire de un volumen unitario de material permeable (incluyendo los poros permeables e impermeables, naturales del material) a la masa en el aire de la misma densidad, de un volumen igual de agua destilada libre de gas.

IV.VII.IV. Peso específico (densidad) de masa saturado superficialmente seco.- Es lo mismo que peso específico de masa, excepto que la masa incluye el agua en los poros permeables.

IV.VIII. ABSORCION Y HUMEDAD SUPERFICIAL:

• Los agregados presentan poros internos, que se denominan como "abiertos" cuando son accesibles al agua o humedad exterior, sin requisito de presión. Diferenciándose de la porosidad cerrada, en el interior del agregado, sin canales de conexión con la superficie, a la que se alcanza mediante fluidos bajo presión. Si un agregado se colma en todos sus poros, se considera saturado y superficialmente seco.
• En el caso de que se seque al aire o artificialmente en horno, el contenido de humedad disminuirá, denominándose agregado seco al aire, o completamente seco.
• La capacidad de absorción del agregado se determina por el incremento de peso de una muestra secada al horno, luego de 24 horas de inmersión en agua y de secado superficial.

IV.IX. SUSTANCIAS PERJUDICIALES EN LOS AGREGADOS:

Existen diversos materiales que con cierta frecuencia acompañan a los agregados, y cuya presencia es inconveniente por los efectos adversos que producen en el concreto. Entre dichos materiales contaminantes, los más comunes son los finos indeseables (limo y arcilla), la materia orgánica, el carbón y el lignito, las partículas ligeras y los terrones de arcilla y otras partículas desmenuzables.

Si bien lo deseable es disponer de agregados completamente libres de estas materias perjudiciales, en la práctica esto no siempre es factible, por lo cual se hace necesario tolerarlas en proporciones suficientemente reducidas para que sus efectos nocivos resulten poco significativos.

IV.IX.I. MATERIAS CONTAMINANTES:

LIMO Y ARCILLA: El limo es el material granular fino, sin propiedades plásticas, cuyas partículas tienen tamaños normalmente comprendidos entre 2 y 60 micras aproximadamente, en tanto que la arcilla corresponde al material más fino, integrado por partículas que son menores de 2 micras y que sí posee propiedades plásticas.

MATERIA ORGÁNICA:

La materia orgánica que contamina los agregados suele hallarse principalmente en forma de humus, fragmentos de raíces y plantas, y trozos de madera. La contaminación excesiva con estos materiales, básicamente en la arena, ocasiona interferencia en el proceso normal de hidratación del cemento, afectando la resistencia y durabilidad del concreto.

IV.X. MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE AGREGADOS:

El manejo y almacenamiento de los agregados para el concreto debe hacerse en forma tal que se evite la mezcla con materiales extraños.

Los agregados finos y cada tamaño de los gruesos, deben almacenarse en pilas separadas a suficiente distancia uno del otro para evitar la mezcla.

Las pilas deben estar libre de monte u otra vegetación o substancias orgánicas. Los agregados lavados, deben dejarse escurrir por lo menos 24 horas.

IV.XI. MUESTREO DE LOS AGREGADOS:

La toma de muestras de los agregados constituye una operación fundamental en el proceso de control de calidad de la producción del concreto. Se recomienda extraer las muestras de manera intermitente mientras se carga el material a los vehículos

En los procedimientos de muestreo en obra, para el control directo de la producción del concreto, se toman muestras durante la descarga de los vehículos de transporte, actuando separadamente sobre la parte superior, media e inferior de la tolva.

Las exigencias del muestreo son más amplias cuando se necesita evaluar un yacimiento o dar conformidad al material beneficiado por un proveedor

En las plantas de producción de concreto, las muestras se toman por lotes en cada turno de operación de la planta, en las tolvas de pasaje.

IV.XII. ESPECIFICACIONES DE LA NORMA ASTM C 33 AGREGADOS PARA CONCRETOS:

1.1 Esta especificación define los requisitos para granulometría y calidad de agregado fino y grueso (distinto de agregado liviano o pesado) para utilizar en concreto.

1.2 Esta especificación es para ser utilizada por un contratista, proveedor de concreto, u otro comprador como parte de un documento de compra que describe el material a proveer.

Esta especificación es considerada como adecuada para asegurar materiales satisfactorios para la mayoría de los concretos. Se reconoce que, para ciertos trabajos o en ciertas regiones, puede ser más o menos restrictiva que lo necesario. Por ejemplo, donde lo estético es importante, límites más restrictivos pueden ser considerados atendiendo a las impurezas que ensuciarían la superficie del concreto. El especificador debería comprobar que los agregados especificados están o pueden estar disponibles en el área de la obra, con respecto a la granulometría, propiedades físicas o químicas o combinación de ellas.

1.3 Esta especificación es también para ser utilizada en especificaciones de proyecto para definir la calidad del agregado, el tamaño nominal máximo del agregado, y otros requisitos de granulometría específicos. Los responsables de seleccionar la dosificación para la mezcla del concreto deben tener la responsabilidad de determinar la dosificación de agregado fino y grueso y la adición de tamaños de agregados para combinar si se requiere o aprueba.

1.4 Los valores indicados en unidades SI son los valores estándares. Los valores dados entre paréntesis son proporcionados sólo a título indicativo.

1.5 El texto de esta norma cita notas y notas al pie de página que proveen material explicativo. Estas notas y notas al pie de página (excluyendo aquellas en tablas y figuras) no deben ser consideradas como requisitos de esta norma.