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AGREGADOS NATURALES, PROPIEDADES Y PRUEBAS. M. en C. Daniel Dámazo Juárez Director General del IMCYC

INTRODUCCIÓN: Como los agregaos pétreos ocupan más o menos del sesenta y cinco al setenta y cinco porciento del volumen del concreto y un volumen mayor en el mortero, es de esperarse que las propiedades de éstos, tengan un efecto determinante en las propiedades del concreto, estando éste en estado plástico, como en estado endurecido. Los agregados para concreto pueden ser naturales, manufacturados o artificiales, de acuerdo con su procedencia. Los agregados naturales son aquellos que se encuentran en yacimientos, dunas, escoria volcánica y/o depósitos piroclásticos; los agregados manufacturados pueden proceder de canteras o de rocas; los artificiales son aquellos como la arcilla expandida, siporex, estiropor y carlita. Los agregados naturales, son los de más fácil obtención, ya que generalmente sólo requieren la extracción de ellos, de los depósitos existentes aprovechando los tamaños que se requieran y desperdiciar o triturar los tamaños mayores, según convenga económicamente. Se presenta el inconveniente, de que los depósitos en bancos de agregados, tengan exceso de arena o de alguno de los tamaños de la grava que se requieran y se tengan sobrantes de alguna o de algunas fracciones en las que se clasifican los agregados. Si el sobrante es de arena, ésta se tiene que desperdiciar, lo cual aumenta el costo del material aprovechable. Si se tienen excedentes de tamaños mayores, éstos tendrán que ser triturados , para completar los faltantes. Cuando se vaya a explotar un yacimiento o un banco de agregados para una obra determinada, es conveniente realizar un estudio de banco, por medio de sondeos o posos a cielo abierto, para conocer: -

La Potencialidad del banco La Granulometría La calidad del material, bajo el punto de vista petrográfico. El espesor del manto de agregados y conocer las distancias de acarreos y condiciones de los caminos de acceso.

Conociendo lo anterior, se podrá definir el equipo mecánico que se requiere; por ejemplo: si la explotación será siempre en seco, el equipo indicado será con escrepa o con pala mecánica, cargando camiones; si la explotación será bajo agua, se requerirá una draga para cargar los camiones; si la explotación es una

ladera, se requerirá para la extracción del material probablemente explosivos; una pala mecánica o un cargador frontal. Cuando se tiene un ligero exceso de uno de los tamaños de las gravas o de la arena, se podrá recurrir a modificar un poco el proporcionamiento de las mezclas de los concretos, para utilizar el producto total del banco o dirigir la explotación del mismo, donde más convenga, de acuerdo con el estudio del banco que se haya realizado previamente. Sabiendo el tamaño máximo del agregado, se podrá definir el equipo de calificación que se requiera. La separación inevitable, es la de clasificar el material, producto del banco, en arena y grava por medio de la malla No. 4 que tiene una abertura de 4.8 mm. A la arena y a la grava, se les llama también agregado fino y agregado grueso respectivamente. Grava es el material retenido en la malla No. 4, de 4.8 mm. Este material se deberá clasificar en varios tamaños, dependiendo del tamaño máximo del agregado que se vaya a necesitar. Si éste es de 19 mm (3/4’’), sólo será necesario quitar los tamaños mayores de 19; pero si el tamaño máximo requerido es de 38 mm (1 ½’’) será necesario clasificar la grava en dos tamaños o sea en grava No. 1, de retenida en No. 4 y pasada por 19 mm (3/4’’) y en grava No. 2, de 19 mm a 38 mm (3/4’’ a 1 ½’’). Para obras de concreto en masa en presas, se llega a emplear tamaños de 76 mm (3’’); en estos casos se separa la grava en tres tamaños que son grava No. 1, grava No. 2 y grava No. 3, ésta última es la retenida en la malla de 38 mm (1 1/12’’) y que pasa la malla de 76 mm (3’’). Antiguamente se llegó a emplear hasta grava No. 4, o sea la retenida en la malla de 76 mm (3’’) y pasada por la malla de 150 mm (6’’), pero debido a que el concreto producido con estos tamaños presentaba mucha segregación y se tenían muchas dificultades en su manejo y colocación, se ha preferido el concreto con agregado precolocado con muy buenos resultados.

PROPIEDADES FÍSICAS: Para conocer si un agregado es apropiado para los fines que se persiguen en la elaboración de concretos, es necesario conocer sus propiedades físicas y en algunas ocasiones hasta sus propiedades químicas. Las propiedades físicas que deben determinarse para conocer la calidad de los agregados son las siguientes ; las cuales están reglamentadas por las Normas NMX o ASTM. a) Granulometría b) Peso Específico

c) Absorción d) Sanidad e) Sustancias deletéreas Materiales muy finos Impurezas orgánicas Partículas suaves, desmenusables y ligeras f) Resistencia a la Abrasión g) Forma y Textura

COMPOSICIÓN GRANULOMETRICA: La composición granulométrica de un agregado, es la característica que resulta de la distribución de tamaños de las partículas que lo constituyen. Es uno de los rasgos más peculiares de los agregados, cuya influencia se hace sentir notablemente en el comportamiento de las mezclas de concreto fresco. Para esta composición que con frecuencia se le denomina granulometría, se acostumbra separar el material por medio de mallas con aberturas cuadradas, de dimensiones establecidas. A esta operación se le suele llamar análisis granulométrico y con él se obtiene: -

Proporción Grava – Arena Granulometría de la Arena Granulometría de la Grava Tamaño máximo del Agregado

Para determinar la proporción de grava y arena, basta con separar el material en dos fracciones empleando la malla No. 4 (4.8 mm ). Para la determinación de la granulometría de la arena, es necesario separarla en fracciones empleando un juego de mallas, cuyas denominaciones y aberturas libres e milímetros son las siguientes: No. 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4.8 No. 8 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.48 No. 16 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1.19 No. 30 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.595 No. 50 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.297 No. 100 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.149 Los resultados de determinación, se resumen en el dato de ‘’Módulo de Finura’’ de la arena, que es igual a la suma de los porcentajes de cada una de las cinco mallas, dividida entre 100. De acuerdo con el módulo de finura, las arenas se pueden clasificar como sigue:

Módulo de Finura

Clasificación

Menor 2.0 2.0 a 2.3 a 2.6 a 2.9 a 3.2 a Mayor de

Muy fina Fina Medio fino Media Medio grueso Gruesa Muy gruesa

2.3 2.6 2.9 3.2 3.5 3.5

Sólo son aceptables, como arenas para concreto, las arenas que presentan módulos de finura entre 2.3 y 3.1. El empleo arenas finas o gruesas, es muy escaso y podrán utilizarse mediante pruebas previas en el laboratorio. Muchas veces el simple dato de módulo de finura, no basta para definir suficientemente, la aptitud granulométrica de la arena, siendo necesario acudir a confrontar los porcentajes parciales retenidos en cada malla, contra límites establecidos y sancionados por la práctica. La especificación NMX C-111-ONNCCE y ASTM C-33, establece para cada fracción de la arena los límites que debe tener ésta, pero si el material disponible no cumple con dichos límites, se deberán realizar pruebas para corregir los defectos que se presenten como sangrado o aspereza del concreto, con la inclusión de aire en el concreto. La granulometría de la grava, también se determina separándola en fracciones con el empleo de mallas. En este aspecto no existe un criterio tan unificado como el caso de la arena . El dato de módulo de finura de la grava es poco utilizado en la práctica. PESO ESPECIFICO Con frecuencia las especificaciones para algunas obras de concreto, al referirse a los agregados, establecen que deben ser densos, sin mayor definición. Tratándose de agregados para concreto en el medio nacional, se acostumbra llamar densidad a lo que en la literatura técnica, se le conoce como peso específico en masa o peso específico aparente, en condición saturada y superficialmente seca. El peso específico de un material, se define como la relación entre el peso del material y el peso de un volumen igual de agua destilada que esté libre de aire y a

una temperatura especificada. Por tratarse de una relación de conceptos con unidades iguales, este peso específico, no tiene unidades. Para el diseño de mezclas de concreto y el cálculo de los consumos de los materiales por metro cúbico de concreto, interesa determinar el volumen de cada uno de los componentes, lo cual resulta posible al conocer la densidad o peso específico aparente de cada uno de los ingredientes del concreto. En caso de los agregados, la determinación se hace por inmersión en agua y con el material en condición saturada y superficialmente seca. El peso específico de los agregados no siempre es un buen índice de su calidad; de ahí que no se acostumbre limitarlo, en especificaciones, excepto en el caso en que el peso de las estructuras sea importante. A título informativo, se incluyen valores de pesos específicos que son comunes en agregados que se utilizan en concretos para usos diversos. Clase de Roca Pómez Escoria Volcánica Caliza Arenisca Cuarzo Granito Andesita Basalto Limonita Barita Magnetita

1.2 1.6 2.3 2.3 2.4 2.4 2.4 2.5 3.0 4.0 4.5

Peso Específico 1.8 2.2 2.8 2.6 2.6 2.7 2.7 2.9 3.8 4.5 5.0

Aplicación Concreto Ligero

Concreto Normal

Concreto Pesado

ABSORCIÓN La capacidad de los diferentes agregados para absorber agua, suele depender del tamaño, continuidad y cantidad total de huecos permeables que contenga. Generalmente a mayor peso específico se tendrá menor absorción. El agua de absorción, corresponde a la que un agregado es capaz de absorber por inmersión durante 24 horas y eliminándole el agua superficial, o sea que se lleva a la condición de saturado y superficialmente seco. El contenido de humedad, corresponde a la cantidad total de agua que contiene un agregado en un momento dado; puede se mayor o menor que la absorción. En el primer caso, se dice que está sobresaturado y en el segundo, subsaturado.

Cuando en el momento del empleo de un agregado, se encuentra subsaturado, se supone que tiene capacidad para absorber agua del concreto y si se encuentra sobre saturado, se considera que es capaz de ceder agua al concreto. Para la estimación del consumo de cemento por metro cúbico de concreto, así como de los agregados, se acostumbra considerar que antes de que el concreto llegue a fraguar, los agregados absorben o ceden el agua faltante o sobrante, para quedar teóricamente en la condición de saturado y superficialmente seca, y que solo contienen su agua de absorción. La prueba para determinar el peso específico y absorción del agregado fino se rige por las especificaciones NMX C-165-ONNCCE ó por la A.S.T.M. C-128 y para el peso específico y absorción del agregado grueso se siguen las especificaciones NMX C-164-ONNCCE ó A.S.T.M. C-127. SANIDAD La sanidad de los agregados, define su aptitud para resistir y permanecer inalterables, bajo condiciones de servicio, que generan acciones destructivas, promovidas por cambios de volumen en el concreto del cual forman parte. Estas condiciones de servicio frecuentemente están representadas por efectos de periodos alternados de humedad y secado; variaciones extremosas de la temperatura y hasta en algunos casos por efectos de congelación y deshielo. Como todos estos efectos se relacionan con el medio ambiente que rodea al concreto, la prueba con que se mide la sanidad de los agregados, se denomina ‘’Prueba del Intemperismo Acelerado’’. El Método usual, consiste en someter los agregados a períodos sucesivos de inmersión y secado empleando una solución sobresaturada, de sulfato de sodio o de sulfato de magnesio. El Mecanismo de las pruebas es el siguiente: Durante los períodos de la inmersión, la sal en solución penetra en los poros de los agregados; en los períodos de secado que se aceleran con temperatura de 100°C, la sal se deposita dentro de los poros. La sucesión alternada de ambos períodos, ocasiona una acumulación progresiva de cristales de sal en el interior de los poros del agregado. Al cabo de cierto número de ciclos de inmersión y secado, la cantidad de sal, alcanza un grado tal que con el aumento de volumen ocasionado por su rehidratación, no puede ser acomodada en el espacio de los poros. Esta situación

origina fuerzas internas que tienden a desintegrar las partículas, de modo similar a como actúa el agua de saturación que aumenta el volumen al congelarse. La pérdida de peso ocasionada por la desintegración de partículas, se cuantifica volviendo a cribar el agregado por la malla original; el material que pasa a través de las mallas respectivas se considera como perdida. La NMX C-111-ONNCCE y la ASTM C-33 establece las siguientes pérdidas máximas permisibles, después de cinco cielos de inmersión y secado. Solución Empleada

Sulfato de sodio Sulfato de magnesio

Pérdida Máxima (Porciento) Arena Grava 10 12 15 18

Se puede dejar abierta la posibilidad de emplear un agregado que haya excedido estos límites si se tienen antecedentes favorables del empleo de estos agregados en un concreto similar al que se proyecta.

SUSTANCIAS DELETEREAS En esta categoría se incluyen todas las sustancias, que estando presentes en los agregados, pueden se perjudiciales para la obtención de buenas propiedades en el concreto o en su comportamiento posterior. Las sustancias que causen daño al concreto son muy numerosas, sin embargo las que se presentan en los agregados con mucha frecuencia para justificar su reglamentación, son las siguientes: A) MATERIALES MUY FINOS .- Estos materiales se presentan en tres formas principales, que son: arcilla, limo y polvo de trituración, que a pesar de ser indeseables se toleraren cierta proporción. Sus efectos pueden consistir en un aumento en el requerimiento de agua del concreto con sus consecuencias probables de disminución de la resistencia, aumento de contratación o bien una interferencia en la adherencia entre el agregado y la pasta. La cuantificación de los materiales finos, se realiza por medio de tamizado por vía húmeda sobre la malla No. 200 o la de 74 micras. Las especificaciones NMX C-111-ONNCCE permite hasta porcentajes de 15% que pasan la malla No. 200 y ASTM C-33, permite las siguientes cantidades de materiales más finos que la malla 200.

AGREGADO

MATERIALQUE PASA No. 200 EN PORCENTAJE MÁXIMO Concreto expuesto a la abrasión

Arena natural Arena triturada Grava natural Grava triturada

3 5 1 1.5

Concreto no expuesto al abrasión 5 7 1 1.5

Se considera que los agregados triturados, el material fino está constituido principalmente por polvo de trituración, que está menos indeseable que la arcilla o el limo. B) IMPUREZAS ORGANICAS.- Algunos tipos de materia orgánica que pueden causar interferencia, en la hidratación normal del cemento, son los compuestos derivados de la descomposición de materia vegetal que puede estar presente más frecuentemente en la arena que en la grava por lo que la prueba usual para cuantificar el contenido de materia orgánica, se acostumbra realizarla en la arena. La prueba más común en la colorimetría basada en el método NMX C-88ONNCCE ó ASTM C-40, en que la arena se agita en una solución de hidróxido de sodio (sosa) al tres por ciento y se deja reposar durante 24 horas. Si el color que obtiene la solución es más claro que el definido como límite o sea el llamada color normal, se considera de inmediato que la arena es aceptable. Si el color es más oscuro, el resultado no se considera concluyente, porque hay sustancias que pueden producir color sin perjudicarles, en este caso, se deben efectuar pruebas comparativas, de resistencia en morteros de acuerdo con el método NMX C-76-ONNCCE ó ASTM C-87, con la arena en estudio y arena exenta de posible materia orgánica mediante el lavado en hidróxido de sodio. Si la resistencia de la arene en estudio es por lo menos el 95% de la resistencia que se obtenga en la arena lavada, se considera aceptable, de lo contrario se tendrá que rechazar, o someterla a un tratamiento de lavado y realizar pruebas en concretos para que, con ligeros aumentos del contenido de cemento se logren la resistencias deseadas. C) PARTICULAS SUAVES, DESMENUSABLES Y LIGERAS.- Aquí se agrupan todas las partículas que por su escasa resistencia, pueden constituir una limitación para la resistencia y durabilidad del concreto endurecido o bien partículas que al desbaratarse durante el mezclado del concreto, pueden producir elementos perjudiciales. Las partículas suaves se detectan principalmente en la grava, donde se supone que sus efectos resultan más notables. Su determinación se realiza por medio de inspección

visual o por medio de la prueba de dureza al rayado según el método NMX C-168-ONNCCE ó ASTM. C-235 limitándose a un máximo de 5% en aquellos concretos en que la resistencia a la abrasión resulte crítica. Las partículas desmenusables generalmente consisten en terrones de arcilla, que de acuerdo a su tamaño, pueden estar presentes en la arena o en la grava. Se estima que en los terrones más perjudiciales son aquellos que se rompen con el mezclado y posteriormente, pueden ocasionar problemas en el concreto endurecido. La prueba para cuantificarlas es la NMX C-171-ONNCCE ó ASTM C142 y se realiza con el material que resultó de la ejecución del lavado sobre la malla No. 200. Las especificaciones NMX C-111-ONNCCE o ASTM C-33 indica los siguientes límites. Agregados Arena Grava

Partículas desmenusables en porcentaje máximo. 1.0 0.5

Se consideran Partículas ligeras aquellas cuyo peso específico resulta sensiblemente menos que el material en conjunto del cual forma parte. Se les determina mediante la prueba de flotación en un líquido pesado de acuerdo a la especificación ASTM C-123 ó NMX C-172-ONNCCE con lo que es posible detectar la presencia de carbón y lignito o de otras partículas perjudiciales por su menor peso especifico. Las partículas de carbón, lignito y de otras especies ligeras se limita a un máximo de un por ciento tanto en la arena como en la grava. RESISTENCIA A LA ABRACIÓN. La resistencia a la abrasión de la grava, se considera importante, cuando el concreto estará expuesto a cualquier acción que produzca desgaste o erosión, ya sea de carácter mecánico o hidráulico. No obstante, como esta resistencia se acostumbra medir con una prueba en la que se somete a la grava en una combinación de fuerzas y de impacto y desgaste superficial, su resultado se amplían para considerarlos como un índice de calidad general y medir la actitud potencial de las gravas para producir concretos resistentes. Los ensayes comunes para determinarla, se efectúan con la máquina de los ángeles según los métodos de pruebas NMX C-196-ONNCCE o ASTM C-131 y ASTM C- 535 la maquina de Los Ángeles tiene bastante aplicación por la rapidez con que se efectúa la prueba; La alta pérdida que produce su mayor aplicabilidad a todo tipo de agregados.

Además puede suministrar los medios para detectar, cuando un material no es de características uniformes, pues sólo con materiales de calidad uniforme, la pérdida es directamente proporcional al número de revoluciones de la máquina. Así por ejemplo, una determinación de pérdidas después de 100 y 500 revoluciones, permite definir la presencia de partículas de distinto grado de dureza. La especificación NMX C-111-ONNCCE y ASTM C-33 establece en esta prueba, una pérdida máxima permisible de 50%, pero tolera el empleo de una grava que manifieste una pérdida mayor, si se produce resistencia adecuadas en el concreto, con la aplicación de los proporcionamientos previstos.

FORMAS Y TEXTURAS. Estas características de los agregados que posiblemente no han recibido suficiente atención, suelen influir en el comportamiento del concreto en estado fresco o endurecido, ya que actúan en los desplazamientos de las partículas dentro de las masa fluida y en la adherencia que pueden generarse posteriormente sobre las partículas y la pasta endurecida. La forma de las partículas se califica de acuerdo con su mayor o menor proximidad a la equidimensionalidad, por considerarse que es la más deseable en los agregados. La forma deseable de las partículas depende de la clase de concreto y del nivel de resistencia que se requiere. Hay ocasiones que las partículas trituradas muy alargadas y las excesivamente esféricas son igualmente indeseables: Las primeras por sus efectos adversos sobre la manejabilidad del concreto y las segundas por falta de adherencia, limitan la posibilidad de obtener resistencia muy altas. En ambos casos sus agregados son muy susceptibles de mejorarse: en el primero con un equipo adecuado de trituración y en el segundo, triturando un porción de las partículas sobrantes. La textura superficial para fines prácticos, se define como el grado de aspereza o rugosidad que presenta las superficies de las partículas. Esta característica se deriva de la naturaleza de la roca y del origen de los agregados ya sean naturales o manufacturados. Poco es lo que se puede hacer para mejorar la textura de un agregado. CARARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE LOS AGREGADOS Antiguamente se consideraban los agregados como materiales inertes dentro del concreto.

Actualmente se reconoce que un agregado puede ser reactivo dentro de una matriz cementante de pasta de cemento. Existen diversos agregados que pueden manifestar cambios o conducir a reacciones químicas con la pasta de cemento y afectar el comportamiento del concreto. Puede tratarse de reacciones entre los componentes de los agregados con la pasta de cemento. Existen algunos tipos de agregados que pueden manifestar reacciones químicas con la pasta de cemento y afectar el comportamiento del concreto. Las más conocidas por su frecuencia en dos casos, en los que interviene el ataque de soluciones alcalinas derivadas de la hidratación del cemento, hacia dos clases de agregados: algunas rocas silíceas y ciertas calizas dolomíticas. En el primer caso se trata de una reacción álcali-sílice y en el segundo caso álcalicarbonato. Durante los últimos 30 años se han reportado numerosos casos de concretos dañados por reacciones químicas ocurridas entre ciertos tipos de rocas sílicosas y los álcalis que son óxidos de sodio y potasio contenidos en el cemento. No todas las rocas que contiene sílice se consideran reactivas bajo este aspecto. Las más comunes y perjudiciales, contienen ópalo que es sílice amorfa, calcedonia, y tridimita. En nuestro país las principales rocas de ésta naturaleza se hayan representadas por rocas ígneas que contiene vidrio volcánico como la riolita, el pedernal, etc. La reacción deletérea, que generalmente se manifiesta a largo plazo requiere para producirse 3 condiciones: 1ª.- que el agregado contenga sílice reconocida como reactiva con los álcalis del cemento. 2ª.- Que el cemento no sea de bajo contenido de álcalis totales o sea que deben tener menos de 0.6%. 3ª.- Que el concreto se encuentre permanentemente húmedo o sometido a periodos frecuentes de humedecimiento. Para identificar si las rocas contienen sílice reactiva, se sigue la práctica recomendada NMX C-265-ONNCCE o ASTM C-295 para el examen petrográfico de agregados para concreto con lo cual puede uno conocer si se tiene un material reactivo o no. Existen otros procedimientos para conocer si un agregado es reactivo o no, como la prueba química que no es muy confiable; la elaboración de barras en que la

primera información que no es definitivo, se tiene a los tres meses y la definitiva a los seis. Existen también algunas evidencias de expansiones deletéreas en concretos en que el agregado es una caliza dolomítica, que produce expansiones que son mayores a medida que es mayor el contenido de álcalis en el cemento, En este caso de reacciones álcali-carbonato; la única medida recomendable es el empleo de cemento con bajo contenido de álcalis, máximo 0.6%. Como se ve por lo anteriormente expresado, es necesario realizar pruebas con los agregados y el cemento que se va a emplear; en concretos con las resistencias requeridas, porque hágase lo que se haga, dígase lo que se diga, el concreto siempre tiene la última palabra.

REFERENCIAS 1.- Concrete Manual Buren of Reclamation Department of, Interior United States Seventh Edition. 2.- Normas Oficiales Mexicanas NMX - ONNCCE 3.- Annual Book of A.S.T.M. Standards parte 02. 4.- Manual para la identificación de rocas y minerales CEMEX 1995 3.- Manual de Concreto de la Secretaría de Recursos Hidráulicos.