Determinación de la absorción de agua, densidad aparente, porosidad aparente y gravedad especifica aparente en una probeta

de concreto

I. RESUMEN:

El presente informe, se trató ver el comportamiento de absorción, porosidad y densidad de probetas cubica de 5x5cm de cemento portland ICo mejorado con diferentes cantidades de puzolana que en este caso fue sedimento con porcentajes de 0%, 10%, 20%, 30%. Ubicando las probetas durante un cierto tiempo sumergido en agua, pesando y luego pesando las probetas en un sistema de suspensión por el método de Arquímedes, dando asi el peso de la probeta suspendida, la cual procederemos al análisis analítico para hallas los objetivos que nos planteamos.

II. OBJETIVOS Determinar las características físicas como la absorción del agua, densidad de masa,

porosidad aparente y gravedad específica aparente una muestra de cemento con puzolana, bajo la norma ASTM C-20

Comparar el comportamiento físico de la absorción del agua, densidad de masa, densidad aparente y gravedad específica aparente en una muestra cubica de cemento con puzolana para diferentes relaciones de puzolana (sedimento)

Comprender, y asimilar sobre los aspectos y parámetros que rigen el principio de Arquímedes mediante la práctica de laboratorio asignada.

Aprender y evaluar el correcto uso de los diferentes implementos e instrumentos dados para la práctica, teniendo así un conocimiento base para el uso adecuado de estos en próximas ocasiones.

Enlazar los diferentes conceptos teóricos aprendidos con anterioridad a los determinados conceptos necesitados en la práctica para así tener una mejor precisión en la recopilación de datos y una adecuada comprensión de los mismos.

III. INTRODUCCION:

La Absorción es el incremento en la masa del agregado debido al agua en los poros del material, peros sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de las partículas, expresado como un porcentaje de la masa seca. El agregado se considera seco cuando se ha mantenido a una temperatura de 110°C ± 5° por suficiente tiempo para remover toda el agua combinada.Sabiendo que el peso específico Aparente es la relación del peso del aire de un volumen dado de la porción impermeable de un material permeable y una

temperatura determinada al peso del aire a un volumen igual del agua destilada a una temperatura determinada.Dicha prueba sirve para determinar si el agregado es adecuado para formar parte de la mezcla del concreto. A continuación se procede a mostrar el procedimiento de la prueba con sus cálculos correspondientes.

IV. MARCO TEORICO:

Densidad: La densidad de las partículas que se usa en los cálculos de proporciona miento (no incluyen los vacíos entre las partículas) se determina por la multiplicación de la densidad relativa (gravedad específica) de los agregados por la densidad del agua.Como generalmente las partículas de agregado tienen poros tanto saturables como no saturables, dependiendo de su permeabilidad interna pueden estar vacíos, parcialmente saturados o totalmente llenos de agua se genera una serie de estados de humedad a los que corresponde idéntico número de tipos de densidad, descritos en las Normas Técnicas Colombianas 176 y 237; la que más interesa en el campo de la tecnología del concreto y específicamente en el diseño de mezclas es la densidad aparente que se define como la relación que existe entre el peso del material y el volumen que ocupan las partículas de ese material incluidos todos los poros (saturables y no saturables).

Porosidad: Es el volumen de espacios dentro de las partículas de agregado. Tiene una gran influencia en todas las demás propiedades de los agregados, por ser representativa de la estructura interna de las partículas.No hay un método estándar ASTM para evaluarla, sin embargo existen varias formas de determinación por lo general complejas y cuya validez es relativa. Una manera indirecta de estimarla es mediante la determinación de la absorción, que da un orden de magnitud de la porosidad normalmente un 10% menor que la real, ya que como hemos indicado en el párrafo anterior, nunca llegan a saturarse completamente todos los poros de las partículas.Los valores usuales en agregados usuales pueden oscilar entre 0 a 15 %, aunque por lo general el rango común es del 1 al 5%. En agregados ligeros, se pueden tener porosidades del orden del 15 al 50%.Normalmente, el concreto es una mezcla de cuatro ingredientes básicos: arena, gravilla, cemento, y agua. En el proceso de mezcla, una cierta cantidad de aire se mezcla en el concreto. El agua y el aire toman espacio dentro del concreto aún después que el concreto es derramado en el lugar y durante las primeras etapas de la fragua.

Los poros están entretejidos y entre conectados, permitiendo así el pasaje lento del agua a través del concreto. Mientras más denso el concreto, más apretados los poros y menos agua puede pasar a través.

a. Porosidad Másica y Volumétrica: La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la siguiente fórmula matemática:

Dónde:

, es la densidad aparente del material.

 es la densidad real del material.

La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la siguiente fórmula matemática:

Dónde:

, Masa de una porción cualquiera del material (en seco).

, Masa de la porción después de haber sido sumergido en agua:

Esta última ecuación puede ser usada para estimar la proporción de huecos o porosidad volumétrica.

b. Porosidad en suelos:

Como consecuencia de la textura y estructura del suelo tenemos su porosidad, es decir su sistema de espacios vacíos o poros.Los poros en el suelo se distinguen en: macroscópicos y microscópicos.Los primeros son de notables dimensiones, y están generalmente llenos de aire, en efecto, el agua los atraviesa rápidamente, impulsada por la fuerza de la gravedad. Los segundos en cambio están ocupados en gran parte por agua retenida por las fuerzas capilares.Los terrenos arenosos son ricos en macroporos, permitiendo un rápido pasaje del agua, pero tienen una muy baja capacidad de retener el agua, mientras que los suelos arcillosos son ricos en microporos, y pueden manifestar una escasa aeración, pero tienen una elevada capacidad de retención del agua.

La porosidad puede ser determinada por la fórmula:

Dónde:

P = porosidad en porcentaje del volumen total de la muestra; S = densidad real del suelo. Sa = densidad aparente del suelo.

En líneas generales la porosidad varía dentro de los siguientes límites:

Suelos ligeros: 30 – 45 %Suelos medios: 45 – 55 %Suelos pesados: 50 – 65 %Suelos turbosos: 75 – 90 %

c. Tipos de densidad

Existen tres tipos de densidad las cuales están basadas en la relación entre la masa y el volumen del material.

Densidad Nominal: La densidad nominal se define como la relación que existe entre el peso de la masa del material y el volumen que ocupan las partículas de ese material incluidos los poros no saturables.

Densidad nominal= Ps / Vm – Vps

Donde:Ps= peso seco de la masa m Vm= volumen ocupado por la masa mVps = volumen de los poros saturables

Densidad aparente: La densidad aparente está definida como la relación que existe entre el peso de la masa del material y el volumen que ocupan las partículas de ese material incluidos todos los poros saturables y no saturables.

Densidad aparente= PS / Vm

Donde Ps= peso seco de la masa m Vm= volumen ocupado por la masa m

Es conveniente anotar que la densidad aparente se puede determinar en estado seco o en estado húmedo, dependiendo del grado de saturación de los poros.En el campo de la tecnología del concreto la densidad que interesa es la densidad aparente debido a que lógicamente con ella es que se determina la cantidad ( en peso) de agregado requerida para un volumen unitario de concreto, porque los poros interiores de las partículas de agregado van a ocupar un volumen dentro de la masa de concreto y por qué el agua que se aloja dentro de los poros saturables no hace parte del agua de mezclado; entendiéndose como el agua de mezclado tanto el agua de hidratación del cemento como el agua libre que en combinación con el cemento produce la pasta lubricante de los agregados cuando la mezcla se encuentra en estado plástico.La densidad aparente del agregado depende la constitución mineralógica de la roca madre y por lo tanto de su densidad así como también de la cantidad de huecos o poros que contenga. Por lo general, el valor de esta densidad en los agregados pétreos oscila entre 2.30 g/cm3 y 2.8 g/cm3 según la roca de origen.

PRINCIPIO DE ARQUIMEDES

Arquímedes de Siracusa vivió entre los años 287 y 212 A.C. Entre sus descubrimientos más notables está el principio de flotabilidad de los cuerpos, conocido hoy como principio de Arquímedes.

Arquímedes descubrió que un cuerpo, al ser sumergido parcial o totalmente en el interior de un fluido, experimenta una fuerza hacia arriba, llamada fuerza de empuje o, simplemente, empuje, cuyo módulo es igual al peso del fluido que desplaza.

El aumento del nivel de agua en el jarro es el mismo que se tendría si, en vez de poner la piedra en el jarro, se vertiera en él un volumen de agua igual al volumen de la piedra.

En términos de módulo el empuje se define en como :

Donde E es la fuerza de empuje y corresponde al peso del fluido desplazado.

Es importante no confundir el peso del fluido desplazado con el peso del objeto

sumergido. El primero depende de la masa del fluido desplazado :

Como sabemos, el peso del objeto, en cambio, es:

P = m · g

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.

La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en las figuras:

1. El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

2. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Esquema del método de Arquímedes

En (a), el dinamómetro mide el peso del objeto. En (b), cuando se sumerge el objeto en un fluido, el dinamómetro mide un peso menor, que se conoce como peso aparente.

En este caso, el dinamómetro marca menos debido a que al peso del objeto se le resta la fuerza de empuje ejercida por el agua. Este es un método directo para medir el empuje.

PUZOLANA:

Las puzolanas son materiales silíceos o alumino-silíceos a partir de los cuales se

producía históricamente el cemento, desde la antigüedad Romana hasta la invención

del cemento Portland en el siglo XIX. Hoy en día el cemento puzolánico se

considera un ecomaterial.

El término se aplica popularmente a las áreas de frenado para salidas de pista

durante competiciones automovilísticas, principalmente de fórmula 1, pues

originalmente eran de puzolana, si bien hoy día se emplean otros materiales

como grava calibrada de distinto origen.

PUZOLANAS NATURALESRocas volcánicas, en las que el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de la lava. Por ejemplo las cenizas volcánicas, las tobas, la escoria y obsidiana.

Rocas o suelos en las que el constituyente silíceo contiene ópalo, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos de lo cual son ejemplos las tierras de diatomeas, o las arcillas calcinadas por vía natural a partir de calor o de un flujo de lava.

Ladrillos de Bloque sólido combustible siendo incinerados para producir ceniza con características puzolánicas.

PRINCIPALES TIPOS DE PUZOLANA

PUZOLANAS ARTIFICIALES:

Cenizas volantes: las cenizas que se producen en la combustión de carbón mineral (lignito), fundamentalmente en las plantas térmicas de generación de electricidad.

Arcillas activadas o calcinadas artificialmente: por ejemplo residuos de la quema de ladrillos de arcilla y otros tipos de arcilla que hayan estado sometidas a temperaturas superiores a los 800 °C.

Escorias de fundición: principalmente de la fundición de aleaciones ferrosas en altos hornos. Estas escorias deben ser violentamente enfriadas para lograr que adquieran una estructura amorfa.

Cenizas de residuos agrícolas: la ceniza de cascarilla de arroz, ceniza del bagazo y la paja de la caña de azúcar. Cuando son quemados convenientemente, se obtiene un residuo mineral rico en sílice y alúmina, cuya estructura depende de la temperatura de combustión.

PROPIEDADES DE LA PUZOLANA

Las propiedades de las puzolanas dependen de la composición química y la estructura interna. Se prefiere puzolanas con composición química tal que la presencia de los tres principales óxidos (SiO2, Al2O3, Fe2O3) sea mayor del 70%. Se trata que la puzolana tenga una estructura amorfa.

En el caso de las puzolanas obtenidas como desechos de la agricultura (cenizas de la caña de azúcar y el arroz), la forma más viable de mejorar sus propiedades es realizar una quema controlada en incineradores rústicos, donde se controla la temperatura de combustión, y el tiempo de residencia del material.

Si la temperatura de combustión está en el rango entre 400-760 °C, hay garantía de que la sílice se forma en fases amorfas, de mucha reactividad. Para temperaturas superiores comienzan a formarse fases cristalinas de sílice, poco reactivas a temperatura ambiente.

MEJORA EN LA PROPIEDADES DEL CEMENTO:

Las ventajas que ofrece en el cemento se detallan a continuación:

Mayor durabilidad del cemento. Mejora en la resistencia frente al agua de mar. Mejor defensa ante los sulfatos y cloruros. Aumento en la resistencia a la compresión. Incremento de la impermeabilidad por la reducción de grietas en el fraguado. Disminución del calor de hidratación. Mejora en la resistencia a la abrasión. Aumento la resistencia del acero a la corrosión. Menor necesidad de agua.

V. EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS

4.1. Equipos:

Balanza analítica de capacidad 30 kg, con precisión de 0.0001g

Cámara digital Horno de secado, termosta ticamente de controlado, capas de mantener una

temperatura del 110±5°C

4.2. Materiales:

Un metro de franela El agua Un balde del 20 litros de capacidad Espécimen de cemento con puzolana endurecido de 5x5cm.

4.3. Instrumentos

Canastilla de alambre Sistema de suspensión cuando será sumergen en agua la muestra

VI. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Escoger los especímenes de concreto endurecido a ensayar. Seguidamente sumergimos las muestras en agua potable durante 45 minutos. Luego del tiempo estipulado secamos las muestras ligeramente con un paño de algodón para remover toda el agua en exceso de la superficie de la muestra y determinar la masa de la muestra saturada en agua, es decir obtener “M”. Luego pesamos la muestra cuando esta se encuentra suspendida en agua, obteniendo así la masa “S”, empleando un dispositivo de densidad basado en el principio de Arquímedes.

Sistema de Arquímedes.

Por ultimo llevamos a secar la muestra a la estufa a 110° con un rango de 5° durante un tiempo de 24 horas, luego dejamos enfriar hasta temperatura ambiente, después pesamos para determinar la masa seca “D”

Dónde:

V: volumen global o bulk V=(M−S )ρH 2O

Vpa: Volumen de poros abiertos V pa=¿ (M−D)ρH 2O

Vpi: Volumen de porciones impermeables V pi=(D−S)ρH2O

P: Porosidad aparente P={[M−DV ]}x 100

A: Absorción de agua A={[M−DD ]}x100

T: Gravedad especifica aparente T=D / (D−S)

B: Densidad global o bulk B=D /V

VII. DATOS:

Cantidad de puzolana en

mescla.

N° de probeta

Masa seca (gr)

“D”

Masa saturada “M” (gr)

Masa suspendida

“S”

F (KN) Resistencia

0% P1 232.07 259.10 116.78 8.50

10% P2 237.73 254.29 124.79 13.70 5.484

P3 234.86 254.93 124.79 8.00

20% P4 228.63 251.87 124.35 7.30

P5 233.73 257.11 123.85 7.60

30% P6 263.33 271.20 138.77 16.10 6.448

P7 229.40 247.82 126.78 8.50

VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

Cantidad de puzolana en

mescla.

V

(cm3)

Vpa

(cm3)

Vpi

(cm3)

P

(gr/cm3)

A

(%)

T B

(gr/cm3)

0% 131.04 15.42 115.62 11.767 6.635 2.010 1.773

10% 129.5 16.56 112.94 12.787 6.966 2.105 1.836

130.14 20.07 110.07 15.422 8.546 2.134 1.805

20% 127.52 23.24 104.28 18.225 10.165 2.1925 1.793

133.26 23.38 109.88 17.546 10.003 2.127 1.754

30% 132.43 7.87 124.56 5.943 2.989 2.114 1.988

131.04 10.42 112.62 8.057 5.030 2.037 1.851

IX. CONCLUSIONES.

1.- Se determinaron exitosamente cada una de las variables planteadas por la teoría en esta practica de laboratorio (Volumen, Volumen de poros abiertos, de porciones inestables, la porosidad aparente, la absorción de agua, la gravedad especifica y la densidad global).

2.- Con respecto al volumen total (V) no se observan cambios notorios al agregar diferentes cantidades de puzolana y esto debe de ser a que la masa en los cubos es de cantidades relativamente pequeñas.

3.- Al comparar los resultados obtenidos del “volumen de poros abiertos” nos damos cuenta que existe mayor cantidad (23.24 y 23.38) al agregar 20 % de puzolana y que existe mucho menor cantidad (7.83 y 10.42) al agregar 30 % de puzolana dándonos a entender que la cantidad de puzolana idonia para tener un sólido muy denso y compacto es de 30%

4.- La mescla de cemento con un 30 % de puzolana nos ofrece un menor índice de porosidad aparente (P) dando a entender que el sólido obtenido es mucho mas estable y mas denso

5.- Un 30% de puzolana en la mescla hace que el sólido a ser hidratado este absorba menos cantidades de agua entendiendo por esto que es más denso y con menos cantidad de poros

6.- Como vemos en la tabla de resultados con un 30 % de puzolana se alcanza una mayor cantidad de densidad en el solido ya que incrementa su impermeabilidad por la reducción de grietas en el fraguado, aumenta su resistencia a la compresión ya que hay menor necesidad de agua.

7.- los resultados obtenidos cumplen en la mayoría de los casos con los resultados encontrados en la teoría dándonos a entender que con un 30 o 33 % de puzolana se obtendría mayores y mejores resultados en la mescla ya sea para morteros o concretos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

http://ingevil.blogspot.com/2008/10/determinacin-de-la-densidad-nominal-y.htmlhttp://www.buenastareas.com/ensayos/Absorcion-Del-Concreto/4397560.htmlhttp://www.buenastareas.com/ensayos/Practica-De-Arquimides/1983608.html

http://pumalino.files.wordpress.com/2011/08/hidrostatica-parte-2-segundo.pdf

http://www.slideshare.net/marotomariajosefa/principio-de-arqumedes-7514525