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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN LABORATORIO DE CONCRETO CÓDIGO: CO-3404

INFORME DE ENSAYO №1 CONSISTENCIA NORMAL

CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO HIDRÁULICO

1 RESUMEN El presente informe muestra los resultados de la prueba de laboratorio acerca de “Consistencia Normal de las Pastas de Cemento Hidráulico”. Este consistió en cinco ensayos consecutivos, para cada uno se utilizó diferente relación agua/cemento, en tiempos regulados de mezclado, para formar una pasta homogénea que luego se llevó al aparato de Vicat para medir la penetración con la aguja como un indicador de la consistencia alcanzada. Las condiciones de temperatura, humedad relativa, composición del cemento y tiempo de fragua son aspectos por considerar en el análisis de la penetración obtenida. Se presentan los resultados y el análisis correspondiente, además de las conclusiones y recomendaciones del caso. Dicho procedimiento se efectuó bajo las normas ASTM C-187 y ASTM C305. 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivos Generales

2.1.1 Realizar un ensayo de laboratorio basados en las normas ASTM C-187 y ASTM C-305 2.1.2 Observar el procedimiento de la preparación de pasta de cemento hidráulico y la prueba de consistencia normal del mismo con la aguja de Vicat. 2.2 Objetivos Específicos 2.2.1 Obtener un gráfico de % de agua vs penetración de la aguja de Vicat y analizar los resultados. 2.2.2 Determinar la cantidad de agua para la consistencia normal optima del cemento hidráulico.

3 MARCO TEÓRICO 3.1 Cementos Portland Son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos de calcio que fraguan y se endurecen por la reacción química con el agua. 1 Durante la reacción llamada hidratación, el cemento se combina con el agua para formar una masa similar a una piedra, llamada pasta; cuando se adiciona la pasta (cemento y agua) a los agregados (arena y piedra), esta actúa como un adhesivo y los une para formar el concreto.1 Dependiendo de las especificaciones y características del concreto, el cemento puede representar entre el 15% y el 25% del volumen de la mezcla final.2 Por sus propiedades de ligadura es el responsable de aglomerar los diferentes tamaños de las partículas de agregado, de aquí deriva la importancia de conocer la adecuada relación agua/cemento en la determinación de la consistencia normal de las mezclas de cemento hidráulico. 2 3.2 Composición del cemento El principal componente del cemento es el clinker, este resulta de la combinación de material calcáreo (piedra caliza) y material arcilloso (sílice) llevados a una temperatura entre 1300ºC y 1500ºC. Una vez obtenido dicho material se procede a molerlo. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores. El yeso ayuda a controlar el tiempo de fraguado, las propiedades de retracción por secado y el desarrollo de resistencia. . Este 1 Kosmatka, S.H. et all. Illinois, EE.UU: Diseño y Control de Mezclas de Concreto. Portland Cement Association, 2004. Pág. 25. 2 Araya, M. Compendio de Material para Curso de Concreto. Pág.4.

funciona como retardante del fraguado del aluminato tricálcico y permite que frague primero el silicato tricálcico para mejorar la resistencia en el tiempo . Además se le agregan otros aditivos retardadores como las puzolanas, que son materiales minerales finamente divididos que además de ese efecto, también logra mejorar las resistencias de las mezclas. Estos materiales son capaces de combinarse con el hidróxido de calcio (Ca(OH 2)) a temperatura ambiente y en presencia de agua, para formar compuestos con propiedades hidráulicas semejantes a los originados en la hidratación de los constituyentes del clinker. A los cementos modificados con puzolanas se les atribuye ciertas características tales como desarrollar una resistencia satisfactoria después de algún tiempo e incluso superar la del cemento común o sin modificar, lograr aumentar la adherencia de los componentes de la mezcla de concreto, facilitar la trabajabilidad y manipulación e incrementar la impermeabilidad. 3 3.3 Consistencia Normal del Cemento La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir 4. La consistencia normal se refiere a la alcanzada cuando se da una penetración de (10±1)mm con la aguja de Vicat de acuerdo con las especificaciones de las norma ASTM C-187 y ASTM C-305 que indican el procedimiento por seguir en dicha estimación. A diferencia de la consistencia normal, la consistencia de la pasta de cemento endurecida se refiere a la capacidad para mantener su volumen después del fraguado. La perdida de consistencia o expansión destructiva retardada es consecuencia de cantidades no deseadas de cal libre calcinada y magnesia. 5 3.4 Humedad relativa del ambiente Corresponde a la relación ente la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de aire en un momento dado y la que tendría si, a la misma temperatura y presión, estuviese saturado. 6 3 Araya, M. Compendio de Material para Curso de Concreto. Pág.44. 4 Kosmatka, S.H. et all. Illinois, EE.UU: Diseño y Control de Mezclas de Concreto. Portland Cement Association, 2004. Pág. 61. 5 Muñoz, F. San José, Costa Rica: Componentes Principales de las Mezclas de Concreto. Editorial de la Universidad de Costa Rica,1998.Pág. 17-18. 6 Barceló, J.R. Madrid, España: Diccionario Terminológico de Química. Editorial Alhambra. 2da Edición,1976. Pág. 413.

La humedad es uno de los factores externos que influyen en el secado del cemento. El agua se evapora por diferencia de humedad con el ambiente; por lo que si el medio ambiente es muy húmedo la mezcla conservará un contenido de agua por más tiempo.7 3.5 Temperatura Se refiere una variable de estado que caracteriza el estado térmico de los cuerpos; es proporcional a la energía cinética media de las moléculas. Muchos procesos físicos ocurren en relación con la temperatura, y, por tanto, pueden utilizarse para la medición de la misma.8 La temperatura actúa sobre la velocidad de absorción y la fricción interna de los agregados por lo que tiene un efecto sobre el desempeño del concreto. La temperatura del sitio donde se elabora el concreto, así como la temperatura de los materiales, modifican los requerimientos del agua; en función de que normalmente en períodos de verano se realiza un ajuste en la cantidad de cemento y aditivo por dosificar con el objeto de compensar las pérdidas de resistencia.9 Una temperatura adecuada de la mezcla permite optimizar la cantidad de cemento y reducir la dosificación del acelerante de fraguado.

7 Teodoro E. Harmsen. Diseño de estructurad de Concreto Armado. 4ta edición. Pontifica Universidad Católica del Perú.2005 8 Jiménez, M. Madrid, España: Diccionarios Rioduero: Física.Ediciones Ríoduero,1976. Pág. 230. 9 Ortiz Lozano, J. A. et al. Influencia de la temperatura ambiental en las propiedades del concreto hidráulico 2007.

3.6 Agua El agua es un ingrediente clave de las pastas, morteros y concretos, pues las fases en el cemento portland tienen que reaccionar químicamente con el agua para desarrollar resistencia. La cantidad de agua adicionada a la mezcla también controla la durabilidad. El espacio en la mezcla inicialmente lleno de agua, con el tiempo, se sustituye parcial o completamente mientras que las reacciones de hidratación ocurren. Si se usa más que aproximadamente 35% de agua en masa de cemento (relación agua-cemento de 0.35) va a permanecer una porosidad en el material endurecido, incluso después de la hidratación completa. 10 El agua para la elaboración del concreto o mortero debe ser preferiblemente potable, libre de barro, ácido, álcalis, sales, grasas, materia orgánica y sin presencia de fuertes colores u olores.11

4 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 4.1

Equipo Normalizado

Se presenta una breve descripción del equipo por utilizar según las normas ASTM C-187 y ASTM C-305. 4.1.1 Aparato de Vicat Consiste en una aguja móvil unida a un vástago con un peso de 300g. Cuenta con una escala graduada en mm para determinar la penetración del vástago o aguja en la pasta de cemento hidráulico.

4.1.2 Mezclador mecánico Debe manejarse eléctricamente. Mínimo dos velocidades controladas por medios mecánicos. Posee una velocidad baja de (140±5) r/min con una rotación de 62 r/min y una velocidad media de (285±10) r/min con una rotación de 125 r/min. Motor eléctrico mínimo de 124 W. 4.1.3 Cono truncado de hule duro De material no absorbente, con un ancho de 40±1 mm, diámetro interior inferior 70±3 mm y un diámetro interior externo 60±3 mm. 10 Kosmatka, S.H. et all. Illinois, EE.UU: Diseño y Control de Mezclas de Concreto. Portland Cement Association, 2004. Pág. 56. 11 Araya, M. Compendio de Material para Curso de Concreto. Pág.37.

4.1.4 Vaso graduado Capacidad de 200 mL a 250 mL de capacidad. 4.1.5 Balanza digital Balanza con capacidad de 1000 g. 4.1.6 Termómetro y medidor de humedad relativa Con una precisión de 0.1 °C y 0.1% de humedad. 4.1.7 Paleta Longitud de 100mm a 150 mm. 4.1.8 Espátula Debe ser removible y de aluminio. Con dimensiones tales que cuando se mezcle esta abarque el contorno de la taza. Del borde de la espátula a los lados de la taza debe haber una distancia de hasta 4 mm pero no menos de 0.8 mm. 4.1.9 Taza Capacidad de 4.37 L. Fabricada de aluminio con una tapa de material no absorbente que no se vea afectado por el cemento. 4.1.10 Raspador Debe tener un mango de hule de 150 mm de longitud. Con una cuchilla de 75 mm de longitud y 50 mm de grosor. 4.2 Equipo y materiales utilizados en el laboratorio Se presenta una breve descripción del equipo y materiales utilizados durante el ensayo en la sección de Anexos (Anexo 1) se podrán ver las figuras correspondientes.

4.2.1 Aparato de Vicat Consiste en una aguja móvil unida a un vástago con un peso de 300g. Cuenta con una escala graduada en mm para determinar la penetración del vástago o aguja en la pasta de cemento hidráulico. (Ver figura #1) 4.2.2 Mezclador mecánico Posee una velocidad baja de 1405 rpm y una velocidad media de 28510 rpm, marca Hobart. (Ver figura #2) 4.2.3 Cono truncado de hule duro De material no absorbente, con un ancho de 40±1 mm, diámetro interior inferior 70±3 mm y un diámetro interior externo 60±3 mm. (Ver figura #3)

4.2.4 Probeta De 250±0.1 ml de capacidad. (Ver figura #4) 4.2.5 Balanza digital Con una incertidumbre 0.1 g(Ver figura #4) 4.2.6 Termómetro y medidor de humedad relativa Con una precisión de 0.1 °C y 0.1% de humedad,(Ver figura #6) 4.2.7 Cronómetro Con una incertidumbre de 0.02 s,(Ver figura #7) 4.2.8 Cemento Tipo 1 UGRTCR 383, marca Holcim. (Ver figura #8) 4.2.9 Agua Destilada y a temperatura de (23±0.1) °C. 4.2.10 Otros: guantes, recipientes, aforador, cucharas, entre otros. (Ver figura #10, 11 y 12)

5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO PREPARACIÓN 5.1 Pesar en la balanza digital una muestra de aproximadamente 650g de cemento. 5.2 Medir en una probeta de (250±0.1) mL un volumen de 176 mL de agua. 5.3 Colocar toda el agua de mezclado en la olla. 5.4 Adicionar el cemento y dejar reposar por 30s. 5.5 Colocar la olla y la paleta en la batidora. Mezclar a velocidad baja o 1 por 30s. 5.6 Detener la batidora por 15s. Durante este tiempo se debe raspar e integrar el resto de la pasta adherida a las paredes de la olla. 5.7 Mezclar durante 1 minuto a velocidad 2 o media. 5.8 De forma rápida retire la pasta de la olla y forme una bola con esta, debe pasarla seis veces de una mano a otra hasta producir una masa semiesférica con el fin de introducirla en el cono de hule duro. 5.9 Presionar la bola, colocada en la palma de la mano, contra la parte de mayor diámetro del cono que se sostiene contra la otra mano hasta que el cono quede lleno. 5.10 Remover el exceso de pasta, sin ejercer presión, en el extremo de mayor diámetro con un movimiento sencillo de la mano y colocar el anillo sobre la placa de vidrio. 5.11 Retirar el exceso de pasta en el extremo de menor diámetro con la espátula y alisar la superficie de la pasta sin comprimirla con una o dos pasadas de la espátula. 5.12 Colocar la muestra en el aparato de Vicat.

5.13 Ubicar el extremo de la aguja de Vicat en la superficie en mínimo contacto con la pasta de cemento. 5.14 Ajustar la escala en cero y tomar una lectura inicial (penetración inicial). 5.15 Liberar la aguja y al término de 30 s tomar la lectura final en mm (penetración final). No debe exceder este tiempo. 5.16 Realizar el mismo procedimiento para volúmenes de agua de 168.0 mL, 182.0 mL y 160.0 mL. 6 CÁLCULOS 6.1

Porcentaje de agua

% W = Volumen de agua x 100 Peso del cemento % W1 = 176.o x 100 650.00 % W1 = 27.08 % W2 = 168.0 x 100 650.00 % W2 = 25.85 % W3 = 182.0 x 100 650.00 % W3 = 28.00 % W4 = 188.0 x 100 650.00 % W4 = 28.92 % W5 = 160.0 x 100 650.00 % W5 = 24.62 6.2

Resultado esperado por la curva de mejor ajuste

y = Ax2 + Bx + C y = -0.0027x2 + 0.324x + 23.816 y(10) = y = -0.0284(10)2 + 0.9128(10) + 21.632 y(10) = 27.2

6.3

Porcentajes de error

6.3.1 %Agua % Error = │Valor Esperado – Valor Experimental│ x 100 Valor Esperado % Error = │27.2– 27.08│ x 100 27.2 % Error = 0.66% 6.3.2 Penetración (10±1) mm % Error = │Valor Esperado – Valor Experimental│ x 100 Valor Esperado % Error = │9 -9│ x 100 9

% Error = │11 -9│ x 100 11

% Error = 0%

% Error = 18.18%

Para el valor mínimo permitido

para el valor máximo permitido

7 RESULTADOS El siguiente cuadro muestra los resultados obtenidos en laboratorio durante el ensayo de Determinación de la Consistencia Normal para Pastas de Cemento Hidráulico. El cemento utilizado es para Construcción General Tipo UG RTCR 383-2004.

Cuadro 1. Datos Experimentales sobre Determinación de Consistencia Normal para Pastas de Cemento Hidráulico. Ensayo

1 2 3 4 5

Peso del Cemento (±0.01) g 650.00 650.00 650.00 650.00 650.00

Agua (±0.1) ml

Agua (%)

176.0 168.0 182.0 188.0 160.0

27.08 25.85 28 28.92 24.62

Fuente: Ensayo Nº1. (04/08/11)

Lectura inicial (±0.5) mm 18.5 19.5 19.0 19.0 18.0

Lectura final (±0.5) mm 27.5 25.0 34.0 37.5 20.5

Penetració n (±0.5) mm 9.0 8.5 15.0 18.5 2.5

Temperatura (±0.1) ºC 28.8 28.3 28.7 28.7 28.3

Humedad relativa (%) 53.3 53.7 54.5 54.3 56.7

Temp. Agua(±1ºC) 24 25 24 26 25

Cuadro 2. Condiciones ambientales del laboratorio vs condiciones según normas ASTM C-187 y ASTM C-305. Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Ensayo 5

Normas ASTM

Temperatura (±0.1) ºC

28.8

28.3

28.7

28.7

28.3

20.0 - 27.5

Humedad Relativa (%)

53.7

53.7

54.5

54.3

56.7

≥ 50

El siguiente cuadro muestra los

Fuente: Cuadro 1 y Normas ASTM C-187 y C-305 resultados de temperatura y humedad relativa obtenidos en laboratorio durante el ensayo de Determinación de la Consistencia Normal para Pastas de Cemento Hidráulico y las requeridas por las normas ASTM C-187 y C-305.

La siguiente figura muestra la curva característica para la Consistencia del Cemento Hidráulico que representa la relación Penetración (±0.5) mm vs Humedad (% agua) para distintas pastas formadas en relación con el peso (±0.01) g del cemento seco. Figura 1. Penetración en (±0.5) mm en la pasta de cemento hidráulico como una función de la Humedad (% agua) calculada sobre el peso (±0.01) g del cemento seco.

Agua(%) 24,62 25,85 27,08 28 28,92

penetraci ón 2,5 8,5 9 15 18,5

Fuente: Cuadro 1. (Ensayo Nº1. 04/08/11)

8 ANÁLISIS DE RESULTADOS El cuadro 1 muestra la penetración (±0.5) mm lograda con aguja de Vicat en condiciones de temperatura y humedad indicadas y con el porcentaje de agua correspondiente en relación con el peso (±0.01) g del cemento utilizado. Los resultados corresponden a los cálculos del apartado 6, sección 6.1. El ensayo se realizó según normas estandarizadas ASTM C-187 y ASTM C-305. El cemento utilizado es fabricado por la empresa Holcim S.A., compuesto de clinker, puzolana, carbonato de calcio y yeso. (Ver Ficha Técnica en Anexo 2). Para este ensayo en particular se trabajó con una temperatura promedio de 28.56 ºC y 54.58 (%) de humedad relativa promedio. Estas condiciones de laboratorio no cumplen con las establecidas por la norma ASTM, como lo muestra el cuadro 2. En el gráfico 1 se observa que a mayor porcentaje de agua en la pasta de cemento se obtiene una mayor penetración de la aguja de Vicat. Según la norma ASTM C-187 la consistencia normal de la pasta se obtiene cuando la aguja de Vicat penetra (10±1) mm en 30s. En este ensayo el porcentaje adecuado fue de 27.08% para una masa de 650.00g y una cantidad de agua de 176.0 mL para una penetración de 9mm. (Ver datos en Cuadro 1.) De acuerdo con el resultado obtenido por medio de la ecuación empírica de la curva, se evidencia que los datos difieren en un 0.43%. Según la norma el error aceptado corresponde a un 0.7%, para varios ensayos realizados en un mismo laboratorio por el mismo operador, por lo que el dato obtenido concuerda con lo reglamentado. Los cálculos corresponden a los descritos en el apartado 6, secciones 6.2 y 6.3. El porcentaje de error obtenido pude verse influenciado por la presencia de las siguientes anomalías: La temperatura a la que se realizó el ensayo esta fuera de lo permitido aceptado por la norma, por lo que nuestra muestra más aproximada al rango de 10(±1mm) fue de 9mm por lo que la consistencia obtenida está presente en el intervalo permitido por la norma ASTM, el error obtenido para su mínimo y máximo permitido fue de un 0% y 18.18% respectivamente. Como se muestra en el punto 6.3.2. Los tiempos que se mencionan en la normas con respecto a la preparación de la pasta no se cumplieron a cabalidad pues dependiendo del porcentaje de agua resultó complicado cumplir con los 15 s establecidos para retirar el material de las paredes de la taza donde se hizo la mezcla. Además en momento de tomar el tiempo hubo algunas ocasiones en las que el cronómetro utilizado se detenía 1 ó 2 segundos

El laboratorio no se encuentra en las mejores condiciones de ambientación, existe una deficiencia en el equipo necesario para mantener una temperatura y humedad relativa controladas, por lo que cualquier agente externo provoca cambios en estas condiciones, esto debido a que las condiciones del laboratorio no son de un ambiente controlado.

9 CONCLUSIONES 9.1 El porcentaje de agua necesario para lograr la consistencia normal del cemento hidráulico fue de un 27.2%. 9.2 La temperatura y la humedad relativa del laboratorio no cumplen con las establecidas por la normas. 9.3 A mayor porcentaje de agua en la pasta de cemento se evidencia una mejor trabajabilidad de la pasta. 9.4 El error obtenido se debe a fallas en los tiempos de mezclado. 9.5 El equipo utilizado para la realización de los ensayos cumple con las especificaciones de las normas. 9.6 Las condiciones internas del laboratorio provocan variaciones en la temperatura y humedad del ambiente de trabajo.

10 RECOMENDACIONES 10.1 Realizar el ensayo si las condiciones de temperatura y humedad del laboratorio se encuentran dentro del rango establecido por las normas ASTM C- 187 y ASTM C-305. 10.2 Mantener un adecuado control de tiempos en cada etapa de las pruebas. 10.3 Mantener el cemento libre de humedad. 10.4 Secar los utensilios antes de realizar cada prueba. 10.5 Ambientar el laboratorio con extractor de húmeda, aire acondicionado y cielo adecuado. 10.6 En la determinación de la consistencia normal de las pastas de cemento hidráulico se debe tomar en cuenta factores como humedad y temperatura, tanto de los agregados como del ambiente de laboratorio. 10.7 Realizar el ensayo con un mismo operador. 10.8 Colocar el medidor de temperatura y humedad en un sitio donde no se afecte la medición. Libre de vibraciones, golpes, humedad y calor.

11 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Anual Book of American Society for Testing and Materials Standars. 2005. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products1. ASTM C-187. [Disco Compacto] Philadelphia: ASTM.

Anual Book of American Society for Testing and Materials Standars. 2005. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products1. ASTM C-305. [Disco Compacto] Philadelphia: ASTM.

Araya, M. Cartago, Costa Rica: Concreto. 2011.

Compendio de Material para el curso

Barceló, J.R. Madrid, España: Diccionario Terminológico de Química. Editorial Alhambra. 2da Edición,1976. Jiménez, M. Madrid, España: Ríoduero,1976.

Diccionarios Rioduero:

Física.Ediciones

Kosmatka, S.H. et all. Illinois, EE.UU: Diseño y Control de Mezclas de Concreto. Portland Cement Association, 2004.

Muñoz, F. San José, Costa Rica: Componentes Principales de las Mezclas de Concreto. Editorial de la Universidad de Costa Rica, 1998.

Ortiz Lozano, J. A. et al. Influencia de la temperatura ambiental en las propiedades del concreto hidráulico 2007.. Retribuido el 27 de febrero de 2010 a las 2:00 a.m. desdehttp://www.proin.es/joomCONCRET/pdf/00hormigon/art_tec/influe_temp.p df Teodoro E. Harmsen. Lima, Perú: Diseño de estructurad de Concreto Armado. 4ta edición. Pontifica Universidad Católica del Perú, 2005.

12 ANEXOS 11.1 Equipo y materiales

Figura #1. Aparato de Vicat.

Figura #2. Mezclador mecánico.

Figura #3. Cono truncado de hule duro.

Figura #4. Probeta de 250 mL.

Figura #5. Balanza digital.

Figura #6. Termómetro y medidor de humedad relativa.

Figura #8. Cemento.

Figura #9. Guantes y lentes de seguridad.

Figura #10. Cuchara, espátula y placa de vidrio.

Figura #11. Beaker y Aforador

11.2 Ficha Técnica del cemento utilizado.