4.1 DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO

4.1.1 GENERALIDADESLa mezcla de concreto que conviene utilizar en cada ocasión, debe ser apropiada para satisfacer 1os requerimientos específicos de1 caso en lo que seafundamental, pero sin descuidar la conciliación de1 aspect0 técnico con el económico, es decir, la mezcla más conveniente debe ser la que permita cumplir con el objetivo de su utilización al menor costo.

En el aspecto económico, un importante factor relacionado con la composicióndel concreto se refiere al costo por concepto de su contenido de cemento. Comose sabe, entre 1os componentes que son normales en el concreto convencional,el cemento es el de precio unitario más alto; de este modo, aunque en este tipode concreto el cemento solo constituye alrededor de1 10 por ciento de1 volumenabsoluto total, puede llegar a representar en cambio más de1 70 por ciento desu costo por concepto de ingredientes"'. Debido a ello, suele resultar económicamente ventajoso tratar de reducir el consumo unitario de cemento, pero sin sacrificar ninguna de las características y propiedades esenciales requeridas en el concreto. Además, es pertinente considerar que en muchos casos una reducción en el contenido de cement0 puede también ser deseable por motivos de índole técnica, según se verá posteriormente.

En el aspecto técnico, 1os requerimientos que deben satisfacerse al diseñar lasmezclas se refieren tanto al comportamiento que se demanda de1 concreto en su estado fresco como a las propiedades que se le exigen ya endurecido. En lorelativo al estado fresco, el atributo más frecuente requerido en las mezclas es su denominada "trabajabilidad", que conforme se definió en el inciso 2.2.5 de la Sección 2 engloba cinco características: 1) homogeneidad y uniformidad,2) consistencia (cohesión y viscosidad), 3) estabilidad (oposición a la segregación y sangrado), 4) aptitud para la compactación ("compactabilidad") y 5) disposición para el acabado (condiciones de textura superficial). De tales características, solo es factible especificar aquellas que pueden evaluarse de manera cuantitativa, como es el caso de la consistencia y el, sangrado, para cuya medición existen procedimientos normalizados.

En las mezclas de concreto convencional, la trabajabilidad se considera comouna medida de la facilidad con que pueden ser mezcladas, transportadas,colocadas y compactadas mediante 1os equipos y procedimientos de uso común; sin embargo, esta consideración puede resultar insuficiente si no se complementa con el requisito de que las mezclas se conserven homogéneas en el curso de todas estas operaciones. Por consiguiente, al diseñar una mezcla con el propósito de darle una determinada consistencia, existe el compromiso implícito de darle también trabajabilidad mediante la cohesión y viscosidad necesarias, a fin de que no segregue si se le manipula adecuadamente. Por su parte, el sangrado de una mezcla de concreto convencional recién colocada y compactada, es un fenómeno natural que no siempre es evitable e incluso en ocasiones puede ser útil si se manifiesta moderadamente; bajo tal consideración, lo que debe evitarse es el sangrado en exceso, y su cumplimiento es una condición inherente al buen diseño de una mezcla de concreto.

Las propiedades de1 concreto endurecido que comúnmente se especifican y se pretende promover desde que se hace el diseño de la mezcla, son la resistencia mecánica y la durabilidad. La resistencia mecánica del concreto, para fines estructurales, normalmente se define por la resistencia a compresión simple y a veces por la de tensión por flexión; pero también cabe la posibilidad de que para una determinada aplicación se requiera reglamentar la deformabilidad del concreto, en cuyo caso puede ser necesario que el diseño de la mezcla se lleve a cabo con el objetivo adicional de influir sobre el módulo de elasticidad, la relación de Poisson, y/o la deformación diferida.

La cualidad de ser durable es un concepto menos preciso que el de las propiedades mecánicas del concreto endurecido, pues no solo depende de factores intrínsecos del material sino también extrínsecos relacionados con las condiciones de exposición y servicio de las estructuras. Por tal motivo, cuando se requiere que la mezcla de concreto se diseñe con la finalidad de proporcionarle mayor durabilidad potencial a las estructuras, resulta necesario ser más especifico, definiendo y evaluando las condiciones adversas que pueden poner en riesgo dicha durabilidad. Así, puede haber casos en que el diseño de la mezcla se realice con el propósito adicional de mejorar la durabilidad de la estructuras de concreto que van a operar expuestas a la abrasión mecánica, la erosión hidráulica, los cambios de humedad y temperatura, el ataque de los sulfatos, la penetración de agentes corrosivos, la congelación y el deshielo, la lixiviación de la cal, los efectos de las reacciones álcali-agregado, etc.

Es pertinente señalar que los criterios aplicables en el diseño de las mezclas para satisfacer los requerimientos especificados en el concreto endurecido, ya se trate de propiedades mecánicas o de durabilidad, no son excluyentes sino complementarios. Lo cual significa que la obtención de las propiedades mecánicas requeridas debe considerarse coma una más de las condiciones que son esenciales para que las estructuras de concreto resulten duraderas.

Para el propósito de controlar la calidad en la producción del concreto, esnecesario tomar en cuenta que se compone de cuatro ingredientes básicos(cemento, agua, arena y grava) y uno optativo (los aditivos) cuyas propiascalidades individuales deben ser objeto de control. Sin embargo, para eldiseño de las mezclas, resulta conveniente suponer que el concreto se integra por la participación de solo tres componentes básicos cuyas proporciones deben determinarse, y que son: la pasta de cemento, el agregado fino y el agregado grueso; dando por sentado que en la composición de la pasta intervienen controladamente el cemento, el agua y, en su caso, los aditivos.

La pasta de cemento suele verse como el componente activo porque es el que mayor influencia ejerce en las propiedades del concreto endurecido, de modo que, mediante la selección de sus propios componentes (cemento, agua, aditivos) y la definición de sus proporciones relativas, es posible formular pastas de cemento que resulten potencialmente adecuadas para comunicar al concreto endurecido las propiedades que en cada caso se requieran.

En un principio los agregados solían considerarse coma elementos de relleno, con el criterio de utilizarlos al máximo para lograr el mayor aprovechamiento posible de la pasta de cemento, con fines orientados principalmente a la economía del producto. Hoy se considera que este criterio prevalece pero con otra prioridad, ya que el principal beneficio que se obtiene por reducir al mínimo posible la proporción de pasta en el concreto es de índole técnica, pues con ello disminuyen los cambios volumétricos del concreto y los probables agrietamientos en las estructuras, con lo cual puede mejorarse la durabilidad potencial de estas, siempre y cuando los agregados posean la calidad necesaria.

De acuerdo con esto último, una primera actividad que debe llevarse a cabo consiste en evaluar la calidad y las características de los agregados en relación con el uso propuesto y, si resultan satisfactorios, hacer las pruebas necesarias para optimizar su participación en la composición del concreto con el uso de la pasta de cemento formulada, de modo que la mezcla de concreto resultante exhiba la trabajabilidad necesaria, y una vez endurecido el concreto desarrolle las propiedades requeridas. Para lograr dicha optimización al realizar pruebas con determinados agregados, existe la posibilidad (dentro de ciertas limitaciones) de manejar coma variables: la composición granulométrica y el tamaño máximo de la grava, la composición granulométrica de la arena, y la proporción relativa en que deben combinarse la grava y la arena.

4.1.2 ASPECTOS CONCEPTUALES

4.1.2.1 Comportamiento de la pasta de cemento

Como queda dicho, la pasta de cemento es el resultado de la mezcla del cemento con el agua, y la eventual incorporación de aditivos. Mediante la variación de las proporciones en que se combinan estos componentes, y por el uso de diferentes cementos y aditivos, es posible ejercer influencia controlada sobre el comportamiento de la pasta de cemento en los siguientes tres aspectos:

1) sus características coma fluido viscoso, al ser mezclada, 2) su tiempo de fraguado, durante el cual se rigidiza, y 3) sus diferentes propiedades, como material endurecido.

a) Pasta recién mezcladaEn el inciso 2.2.4.1 de la Sección 2 se describen las características reológicas que la pasta de cemento recién mezclada exhibe como fluido viscoso. Conforme ahí se expuso, el comportamiento de la pasta sin aditivos en este aspecto depende esencialmente de las proporciones relativas en que se combinan el agua y el cemento. Asimismo se hizo notar que para la elaboración del llamado concreto convencional, que consiste de mezclas de consistencia plástica diseñadas para obtener resistencias a compresión entre 150 y 450 kg/cm2, las relaciones agua/cemento de las pastas que se emplean suelen variar en el intervalo de 0.8 a 0.4, aproximadamente, cuyo comportamiento reológico las identifica coma fluidos viscosos , aunque con diferentes coeficientes reológicos en función de dicha relación agua/cemento (ver Fig. 2.9, Sección 2).

Cuando las pastas se elaboran con relaciones agua/cemento sensiblemente menores de 0.4, en busca de resistencias mayores de 450 kg/cm2, la concentración de cemento es tal que su cohesión y viscosidad se manifiestan en exceso y esto dificulta la manipulación del concreto con los procedimientos y equipos convencionales. Cuando así ocurre, esta limitación puede superarse con el uso de aditivos reductores de agua en alto grado (superfluidificantes) que al ser incorporados a la pasta reducen su cohesión y/o viscosidad, con lo cual se incrementa notablemente su fluidez, y de esta manera es factible producir mezclas de concreto de consistencia plástica con relaciones agua/cemento muy bajas, incluso menores de 0.30, que se diseñan para cumplir con muy altas resistencias de proyecto y pueden ser transportadas, colocadas y compactadas con equipos y procedimientos ordinarios.

La producción de concretos convencionales con relaciones agua/cemento mayores de 0.8 no es usual, debido a que la expectativa de resistencia a compresión a 28 días se reduce a menos de 150 kg/cm', cuyo empleo no es común en el diseño y construcción de estructuras ordinarias. Sin embargo, cuando en ciertas aplicaciones se requiere muy baja resistencia y se pretende producir y utilizar convencionalmente concreto con una elevada relación agua/cemento, debe tomarse en cuenta que en estas condiciones la pasta deja de comportarse como un fluido viscoso y tiende a convertirse en una lechada de cemento, con lo cual deben esperarse manifestaciones de segregación y sangrado en el concreto. En tales casos, la incorporación de finos adicionales a la pasta tiende a devolverle su carácter de fluido viscoso (ver Fig. 2.10, Sección 2), lo cual puede conseguirse con el empleo de una puzolana coma aditivo, o en su defecto con un cemento Portland-puzolana. En este mismo sentido puede ser útil el uso de un cemento portland molido más finamente, como es el case del tipo III, y también (enocasiones) la utilización de aire incluido intencionalmente mediante la incorporación de un aditivo adecuado.

b) Pasta en curso de fraguado.El tiempo que demora la pasta de cemento en convertirse de fluido viscoso a cuerpo rigid0 pero frágil, representa su tiempo de fraguado. En el curso de este lapso se distinguen dos estados de rigidez: 1) el fraguado inicial, que corresponde al estado en que se inicia la rigidización y que

define el tiempo límite hasta donde la pasta se conserva moldeable, y 2) el fraguado final, cuyo acaecimiento define convencionalmente el estado en que la pasta comienza a adquirir resistencia mecánica propiamente dicha. Tratándose del concreto, el fraguado inicial tiene importancia práctica porque delimita el lapso disponible a partir de su elaboración, para realizar todas las operaciones necesarias hasta dejarlo completamente compactado en el espacio cimbrado. Lo cual significa que en cualquier circunstancia, el tiempo de fraguado inicial del concreto debe ser suficientemente amplio para permitir su transportación, colocación y compactación en la estructura.La duración del fraguado de la pasta de cemento puede experimentar ligeras modificaciones por efecto de cambios en la relación agua/cemento y en el tipo o clase de cemento, pero más bien resulta sensiblemente afectada por las variaciones de temperatura (ver 2.3.3, Sección 2), de modo que en condiciones de alta temperatura la pasta fragua con mayor rapidez, y en baja temperatura con mayor lentitud. De ahí que, refiriéndose al concreto, cuando los colados se realizan en clima caluroso el tiempo de fraguado inicial puede ser demasiado corto, y excesivamente largo en clima frio. En tales circunstancias, puede justificarse el empleo de un aditivo que retrase el fraguado inicial del concreto en tiempo caluroso, o que lo adelante en tiempo de frio, lo que representa el requerimiento de diseñar las mezclas con la finalidad de adecuar sus tiempos de fraguado a las condiciones ambientales que prevalecen en obra.El efecto que la temperatura produce sobre el fraguado se extiende más allá de este y también afecta la velocidad de endurecimiento inicial del concreto, por lo que en clima cálido adquiere resistencia con más rapidez, y en clima frio con mayor lentitud. De ordinario lo primero no ocasiona trastornos constructivos, pero lo segundo si porque un retraso en la adquisición de resistencia mecánica del concreto en tiempo frio puede hacer necesario prolongar la protección de la estructura recién colada contra los efectos de la congelación, o bien aumentar el tiempo de espera requerido para la remoción de las cimbras soportantes, o incluso postergar la puesta en servicio del concreto. De acuerdo con ello, para colados en tiempo caluroso par lo común solo se pretende retardar el fraguado, en tanto que para colados en ambiente frio, además de adelantar el fraguado se requiere también acelerar la adquisición de resistencia mecánica. Para ambos casos existen aditivos que permiten hacer las modificaciones necesarias en el tiempo de fraguado y en la adquisición de resistencia inicial del concreto, según se establezca como requisito en el diseño de la mezcla (ver 2.3.5.2, Secci6n 2).

c) Pasta endurecidaAl término del fraguado de la pasta de cemento, se inicia el endurecimiento propiamente dicho que conduce a la obtención de las propiedades que finalmente se identifican con la pasta endurecida. La evolución del endurecimiento, que es concomitante con el proceso de hidratación del cemento, puede continuar mientras existe cemento capaz de hidratarse, lo cual suele ocurrir aún al cabo de varios meses e incluso años (ver 2.1.2, Sección 2). Debido a ello, para fines prácticos se acostumbra fijar un tiempo de endurecimiento reducido para que el concreto pueda considerarse suficientemente endurecido y apto para el servicio requerido. En la práctica usual este tiempo es de 28 días, aunquepara el concreto masivo que se utiliza en la construcción de presas y otras estructuras similares, es frecuente considerar un tiempo más prolongado, que suele fluctuar entre 90 días y un año (ver 2.3.1, Sección 2). En cualquier caso, la mezcla debe diseñarse de modo que el concreto alcance las propiedades requeridas a la edad especificada en el proyecto estructural, considerando que a partir de esta edad la estructura ya puede estar en condiciones de prestar servicio.

Las propiedades que de ordinario se pretende lograr en el concreto endurecido se relacionan principalmente con su resistencia mecánica y con su capacidad para resistir los efectos dañinos de diversos agentes agresivos que ponen en riesgo su durabilidad. Para lograrlo, en lo que se refiere a la formulación de la pasta de cemento, existen tres medios que pueden aplicarse en forma individual o combinada, según se requiera: 1) selección de una relación agua/cemento apropiada, 2) empleo de un cemento de características y propiedades idóneas, y 3) incorporación de un aditivo como complemento justificable.

Conforme se expuso en 3.2.1.2, Sección 3, el grado de porosidad de la pasta de cemento endurecida no solo determina sus propiedades mecánicas sino también su permeabilidad, y ambos aspectos son decisivos en su durabilidad. A su vez, la porosidad que resulta en la pasta hidratada depende principalmente de la relación agua/cemento con que se elabora. De ahí que esta relación se convierta en factor determinante de la resistencia a compresión, el módulo de elasticidad y la permeabilidad de la pasta de cemento hidratada (ver Fig. 3.4, sección 3). Por consiguiente, si los agregados son satisfactorios, los efectos que la relación agua/cemento produce en la pasta se hacen extensivos al concreto que la contiene, y así, mediante la adecuada selección de esta relación es posible ejercer dominio sobre las propiedades mecánicas y la permeabilidad del concreto endurecido, que como se ha dicho son aspectos determinantes en la capacidad de duración de las estructuras.

En la fig. 4.1, formada con datos de la Ref.2, se muestran gráficamente lasresistencias a compresi6n de 28 días que pueden obtenerse en condiciones y especímenes estándar de laboratorio con el uso de diversas relaciones agua/cemento, en concretos con y sin aire incluido; y en la Tabla 4.1 se indican las relaciones agua/cemento máximas recomendadas en los informes AC1 201.2R y AC1 211.1, Apéndice 5 para diversas condiciones de exposición y servicio que ponen en riesgo la durabilidad del concreto en estructuras ordinarias y masivas, respectivamente.

Hay ocasiones en que la selección de una relación agua/cemento adecuada no es una medida suficiente para obtener el desempeño requerido del concreto, o para protegerlo de la acción deterioradora de ciertos agentes químicamente dañinos, en cuyos casos suele ser indicado el empleo de un cemento que provea el comportamiento y la protección necesarios. Como ejemplo puede citarse el requerimiento de reducir los cambios volumétricos por sobreelevación de temperatura en el concreto, para lo cual es ventajoso el uso de un cemento con moderado calor de hidratación; o bien el requisito de proteger al concreto contra el ataque de los sulfatos, lo cual puede conseguirse mediante el empleo de un cemento especialmente previsto para resistir un ataque de esta índole.Por último, hay incluso situaciones en que la correcta selección de la relación agua/cemento y/o el empleo del cemento idóneo, no proveen los suficientes medios de defensa para el concreto que presta servicio en determinadas condiciones adversas de exposición, como puede suceder cuando el grado de ataque por sulfatos es demasiado severo, o cuando la estructura se halla expuesta a los efectos repetidos de la congelación y el deshielo. En tales situaciones, queda como recurso la incorporación de un aditivo apropiado a la pasta de cemento; como por ejemplo: una buena puzolana adicionada al cemento resistente a los sulfatos, en el primer caso, y un aditivo inclusor de aire en el Segundo. En cualquier caso, para definir lo que conviene hacer al diseñar la mezcla de concreto, es indispensable efectuar primero una justa evaluación de las condiciones de exposición y servicio previsibles, y en función de ellas estimar la conveniencia de emplear un aditivo en el concreto. (Ver 1.5.4, Sección 1).

4.1.2.2 Influencia de los agregados

Una vez definida la composición que es conveniente dar a la pasta de cemento, el siguiente aspecto que debe considerarse corresponde a la influencia que ejercen en el concreto fresco y endurecido las características de los agregados que pueden ser objeto de maniobra, como es el caso de1 tamaño máximo y la composición granulométrica de la grava, la composición granulométrica de la arena y la proporción en que se combinan la grava y la arena, Todo ello con el propósito de establecer los criterios que conviene seguir para lograr la optimización en el uso de los agregados al diseñar las mezclas de concreto.

a) Tamaño máximo de la grava.En el inciso 1.3.4.5 de la Sección 1 se hizo la descripción de lo que sedenomina tamaño máximo nominal de la grava, cuya magnitud es un dato que se acostumbra citar en las especificaciones del concreto para la construcción de las estructuras, y con frecuencia suele definirse con base únicamente en las características geométricas y condiciones de refuerzo de las propias estructuras, Debido a que hay otros aspectos involucrados que deben tomarse en cuenta, es conveniente examinarlos conceptualmente.Para hacer la correcta selección de1 tamaño máximo nominal de grava queconviene utilizar en cada caso, es necesario tomar en consideración los efectos que su variación puede ocasionar tanto en el concreto en estado fresco coma ya endurecido. En el concreto fresco debe tomarse en cuenta: a) el riesgo de que se produzca segregación, b) las dimensiones mínimas de la estructura y de separación del acero de refuerzo (que son limitaciones para la colocación en el espacio cimbrado), y c) el requerimiento de pasta de cemento por unidad de volumen. En cuanto a la influencia que el cambio de tamaño máximo de grava produce en el concreto endurecido, hay varias consideraciones posibles pero principalmente es digno de tomarse en cuenta el nivel de la resistencia que se pretende obtener.

El riesgo de segregación de las mezclas de concreto, para unas determinadas condiciones de manipulación, puede acrecentarse al aumentar el tamaño máximo de la grava, coma consecuencia del incremento de masa de las partículas mayores y de la correspondiente energía cinética que

adquieren en los desplazamientos bruscos. Sin embargo, esta no debería ser una razón para justificar que se utilice grava más chica cuando por otras razones sea conveniente utilizar la de mayor tamaño, pues casi siempre existe la posibilidad de diseñar una mezcla de concreto con diversos tamaños máximos de grava, que no segregue fácilmente si se emplean los equipos y procedimientos de transporte, distribución y compactación apropiados a su tamaño máximo.

Es común que el tamaño máximo de la grava se limite en función de los espacios mínimos por donde deba desplazarse el concreto durante su colocación y compactación en la estructura. De acuerdo con ello, el Código AC1 318 establece que el tamaño máximo nominal de la grava no debe exceder a la que resulte menor de estas tres dimensiones: 1) la quinta parte del espacio más angosto entre las cimbras laterales, 2) la tercera parte del espesor en losas, y 3) las tres cuartas partes del espacio libre entre las varillas o alambres individuales de refuerzo, paquetes de varillas, o tendones y ductos de pres fuerzo. Además de admitir lo anterior, el Comité AC1 211 en su informe 211.1 indica que es aconsejable emplear el tamaño máximo de grava más grande que sea compatible con estas limitaciones, porque con grava de mayor tamaño se requiere menor proporción de mortero en la mezcla de concreto, es decir, menos arena y pasta de cemento, criterio que sin embargo conviene acoger con cautela.

En efecto, al aumentar el tamaño máximo de partícula en un conjunto degranulometría continua, disminuye la superficie especifica del conjunto y sereduce el volumen total de vacíos entre las partículas. Una consecuencia de ello es que a medida que se incrementa el tamaño máximo del agregado en una mezcla de concreto, esta requiere menos pasta de cemento para ocupar los vacíos que dejan los agregados. Sin embargo, otra consecuencia paralela es que disminuye el área total de contacto entre los agregados y la pasta, con lo cual tienden a incrementarse los esfuerzos en el contacto pasta-agregado y esto puede provocar la falla del concreto por adherencia, y así constituir una limitación para alcanzar altas resistencias en concretos con grandes tamaños de grava.

La conveniencia de reducir al mínimo posible el contenido unitario de pasta de cemento, se justifica en el aspecto técnico porque con ello tienden a disminuir los cambios volumétricos de diverso origen y la deformabilidad de1 concreto; y en el aspecto económico también parece justificarse porque al reducirse la participación proporcional de pasta de cemento, que es el ingrediente más costoso, debe disminuir el costo del concreto por concepto de sus componentes.

Lo primero suele admitirse como una tendencia predecible cuando los agregados son de buena calidad, pero lo segundo no siempre es válid0 porque la resistencia mecánica que se obtiene por unidad de cemento utilizado (eficiencia del cemento) tiende a disminuir al aumentar simultáneamente el tamaño de la grava y el nivel de resistencia del concreto, por el efecto de adherencia señalado en el párrafo anterior.

De acuerdo con lo expuesto en 3.2.1.3, Sección 3 (ver fig. 3.5), para cada nivel de resistencia a compresión del concreto, hay un tamaño máximo de grava que optimiza la eficiencia del cemento, de una manera tal que al aumentar el nivel de resistencia requerida del concreto tiende a disminuir el tamaño máximo óptimo de la grava; es decir, para los concretos de menor resistencia resultan más eficientes las gravas de mayores dimensiones, y a la inversa para los concretos de mayor resistencia en los que se obtiene más eficiencia del cemento con gravas chicas. Con base en estas tendencias, es posible plantear un criterio de carácter general para seleccionar el tamaño máximo de grava más conveniente para cada caso, como a continuación se indica:

- En mezclas de concreto de bajo nivel de resistencia a compresión, diseñadas para resistencias de proyecto (f´c) hasta 200 kg/cm2, en las que se utilizan relaciones agua/cemento mayores de 0.6, puede prevalecer el criterio AC1 211.1 que recomienda el uso de1 tamaño máximo de grava más grande que resulte compatible con las limitaciones dimensionales del código AC1 318, siempre que dicho tamaño sea económico y comercialmente asequible en el lugar y que la mezcla de concreto

que lo contenga pueda manejarse con los equipos de transporte y colocación autorizados en la obra.

- Para mezclas de concreto con nivel intermedio de resistencia, cuyas resistencias de proyecto a compresión varían de 250 a 400 kg/cm2, y en las que se emplean relaciones agua/cement0 entre 0.6 y 0.4 aproximadamente, debe tomarse en cuenta también la naturaleza, forma y textura superficial de las partículas de grava para definir su tamaño máximo; así: 1) si la grava se produce por trituración de rocas de buena calidad y presenta fragmentos de buena forma (ver 1.3.4.4, Sección l), o bien si la grava es de origen natural, proviene de rocas de buena calidad y sus partículas no son demasiado redondas y pulidas, puede continuar prevaleciendo el criterio selectivo señalado en el inciso anterior; 2) si la grava es natural, pero consta predominantemente de partículas con formas redondeadas y superficies muy lisas, es muy probable que su reducida adherencia con la pasta de cement0 constituya una limitación para alcanzar la resistencia requerida en el concreto, por lo cual procederestringir el tamaño máximo de este tipo de grava hasta un tamaño reducido tal que permita lograr la resistencia especificada con el uso de la relación agua/cemento que teóricamente corresponda, Si incluso con un tamaño máximo de grava reducido no se alcanza el nivel de resistencia requerido es posible, antes de reprobar el uso de esta grava para el fin previsto, considerar optativamente el empleo de una relación agua/cemento más baja de la que teóricamente es adecuada, y/o la ejecución de una trituración parcial a la grava propuesta.

- Las mezclas de concreto que se diseñan para cumplir con resistencias de proyecto de 450 kg/cm 2

en adelante, y en las que por consiguiente deben emplearse pastas con relaciones agua/cemento inferiores a 0.4, corresponden al concreto de alta resistencia cuyo tratamiento no se incluye en este Manual.Para tales concretos, no solo se requiere utilizar un tamaño máximo de grava con dimensiones muy reducidas, sino que deben atenderse más cuidadosamente todos los aspectos relacionados con la calidad de la roca y las características físicas de los agregados, conforme a los señalamientos que al respecto se hacen en el informe de1 Comité AC1 363.

b) Granulometría de la grava:La frecuente aceptación de que los cambios granulométricos de la grava no son excesivamente influyentes en las características y propiedades del concreto en sus estados fresco y endurecido, suele permitir cierta tolerancia para su definición y utilización. No obstante, siempre se pretende que en las mezclas de concreto convencional de consistencia plástica, la curva granulométrica de la grava sea razonablemente continua; es decir, que aunque dicha curva exhiba inflexiones no se manifieste ausencia total de partículas en ningún intervalo.Esto se justifica porque para obtener mezclas de concreto que sean manejables y al mismo tiempo no segreguen con facilidad, es necesario que exista continuidad en los diferentes tamaños de las partículas de grava en todo su intervalo dimensional.La composición granulométrica de la grava puede ser objeto de maniobra y ajuste en mayor o menor grado, dependiendo de su origen y del tamaño máximo que se utilice. Por ejemplo, para tamaños máximos hasta 20 mm (3/4") es usual que la grava se maneje en una sola fracción que abarque todo su intervalo nominal, en cuyo caso la posibilidad de poder ajustar su granulometría depende de su origen: si la grava se produce por trituración, es factible ejercer cierto control en este aspecto mediante ajustes en el proceso de fragmentación; pero cuando la grava procede de un depósito natural, si bien existe la posibilidad de hacer una explotación selectiva y/o una trituración correctiva, no siempre es práctica su realización y entonces resulta necesario adaptarse a la granulometría de este intervalo como se halla en el depósito. Cuando el tamaño máximo excede a 20 mm es recomendable, y así se acostumbra, dividir la grava en dos o más fracciones conforme a lo indicado en 1.3.3.3, Sección 1 (ver Tabla 1.14), de manera que así se dispone de la facilidad para acomodar sugranulometría a un cierto modelo deseable, mediante la dosificación proporcionada de sus diferentes fracciones.

Para definir la composición granulométrica conveniente de la grava con tamaño máximo hasta 20 mm (3/4"), la cual se acostumbra manejar en una sola fracción, el procedimiento usual consiste en ajustarse a límites establecidos empíricamente, que en la práctica han demostrado ser razonablemente válidos para los distintos tipos de grava. De esta manera, lo que procede hacer al diseñar una mezcla de concreto con tamaño máximo de 20 mm, es emplear una granulometría de grava que se apegue a los límites establecidos para el intervalo de 5 a 20 mm (ver fig. 1.13, Sección 1). Sin embargo, tratándose de depósitos naturales que no proveen grava dentro de estas limitaciones, si no hay posibilidad de explotación selectiva, trituración correctiva, o cambio de la fuente de suministro, lo que procede entonces es procurar un diseño de mezcla con una muestra representativa de la grava de 5 a 20 mm como se obtiene del depósito, a fin de satisfacer los requisitos técnicos esenciales especificados para el concreto, aunque deban hacerse algunas concesiones en el aspecto económico.En el caso de concretos con tamaño máximo superior a 20 mm (3/4") es costumbre, tal como se ha dicho, dividir la grava en fracciones cuyo número e intervalos parciales dependen de las dimensiones de dicho tamaño máximo (ver Tabla 1.14, Sección l), con lo cual es posible ajustarse a una cierta composición granulométrica requerida en la grava total. Para definir esta granulometría requerida existen diversos modos de proceder, de los cuales cabe destacar tres:1) ajustar la curva granulométrica total de manera que se ubique dentro de ciertos límites empíricos.2) determinar experimentalmente las combinaciones de fracciones que producen el mínim0 contenido de vacíos, y 3) tratar de apegarse a una curva granulométrica ideal, definida teóricamente.

Para el primer procedimiento son aplicables los usos granulométricos establecidos para tamaños máximos de grava iguales a 40, 75, 100 y 150 mm (1 l/2", 3", 4" y 6") en las Figs. 1.13, 1.14, 1.15 y 1.16 de la Sección 1, en las que se incluyen los limites granulométricos individuales para cada fracción considerada independientemente. De esta manera, conociendo la curva granulométrica de cada fracción, es posible combinarlas en proporciones tales que la curva granulométrica de la grava total en el concreto resulte dentro del uso que corresponda al tamaño máximo empleado.

El Segundo procedimiento consiste en hacer variar las proporciones relativas en que se combinan dos fracciones contiguas de grava, para determinar experimentalmente, conforme al método de prueba ASTM C 29 (NMX C-73), la combinación que produce el máximo peso volumétrico, o lo que es equivalente, el mínimo porcentaje de vacíos. Aunque en teoría este procedimiento es aplicable a cualquier tamaño máximo de grava, en la práctica se dificulta su ejecución con tamaños máximos superiores a 40 mm (1 l/2"). No obstante, para tamaños máximos hasta 40 mm es una buena opción, como por ejemplo para definir la proporción en que conviene combinar la fracción de 5 a 20 mm (grava 1) con la fracción de 20 a 40 mm (grava 2) cuando se utiliza el procedimiento ACI 211.1 para diseñar una mezcla de concreto con tamaño máximo 40 mm (1 l/2").

La conveniencia de disponer de una curva ideal que permita definir la adecuada composición granulométrica de los agregados en el concreto, ha dado lugar a diversas expresiones propuestas, de las cuales una de las más difundidas corresponde a las denominadas curvas parabólicas de Füller y Thompson, cuyo empleo es el modo recomendado por el Comité AC1 211 para establecer la curva granulométrica de la grava, cuando se diseñan mezclas de concreto con tamaño máximo superior a 40 mm (1 l/2"). La expresión que define estas curvas, para agregados con partículas de formas alternativamente redondeadas o angulosas, es la siguiente:

P= d x−0.1875x

D x−0.1875x(100)

En donde:P = porcentaje acumulado de partículas que pasan la malla con abertura igual al d (mm)D= tamaño máximo nominal de la grava (mm)

x = exponente con valor de 0.5 para partículas redondeadas y de 0.8 para partículas angulosas (trituradas)

En la Fig. 4.2 se muestran las curvas granulométricas que resultan de la aplicación de esta expresión, para gravas con tamaño máximo igual a 75 mm (3") y 150 mm (6") tanto con partículas redondeadas como angulosas. En consecuencia, cuando se utiliza este procedimiento, lo que debe hacerse es buscar la combinación de fracciones de grava que produzca una curva de grava total con la mayor aproximación posible a la curva ideal correspondiente.

Para resumir este asunto, puede considerarse que los procedimientos más convenientes para definir la composición granulométrica de la grava, son como sigue:- Para grava con tamaño máximo hasta 20 mm (3/4"), cuyo manejo se acostumbra hacer en una sola fracción, lo procedente es que dicha fracción cumpla con los límites granulométricos que correspondan a su intervalo, conforme a la especificaci6n ASTM C 33 (NMX C-111).

- Para grava con tamaño máximo mayor de 20 mm (3/4") pero sin exceder de 40 mm (1 l/2”), es necesario que su manejo se haga dividiéndola en dos fracciones, para cuya recombinaci6n es conveniente determinar experimentalmente las proporciones de ambas fracciones que produce el máximo peso volumétrico, obtenido por el método ASTM C 29 (NMX C-73). En su defecto, puede determinarse teóricamente la combinación de ambas fracciones que produce una curva de grava total comprendida dentro de los límites granulométricos que son aplicables a su intervalo, según la ASTM C 33 (NMX C-111).

- Finalmente, para grava con tamaño máximo nominal superior a 40 mm (1 l/2"), resulta necesario que su manejo se realice dividiéndola en tres o más fracciones, en cuyo caso el procedimiento recomendable para su integración consiste en combinarlas en proporciones tales que la curva de

grava total se asimile a la curva parabólica idealizada que le corresponda, dado que de esta manera se tiende al mínimo porcentaje de vacíos en la grava recombinada.

c) Granulometría de la arena:De acuerdo con lo expuesto en 1.3.4.1 a, Sección 1, la composición granulométrica de la arena se determina cribándola por siete mallas cuyas aberturas se duplican consecutivamente desde 150 micras hasta 9.5 mm, con lo cual se obtienen otros tantos grupos de partículas; y para hacer la evaluación de las proporciones en que resultan estos grupos, se utilizan dos medios: 1) se compara el porcentaje que representa cada grupo, con respecto a determinados límites establecidos empíricamente, y 2) se calcula el llamado módulo de finura, que corresponde a la suma de los porcentajes retenidos acumulados en cada malla, dividida entre cien, y también se le compara contra ciertos valores extremos.

Para la aplicación del primer medio, es común considerar los límites granulométricos establecidos en la especificación ASTM C 33 (NMX C-111), cuya representación gráfica se hizo en la Fig. 1.12, Sección 1. En cuanto al módulo de finura, la propia especificación señala como límites de tolerancia un valor minim0 de 2.3 y un máximo de 3.1, con el requisito adicional de que ningún grupo de partículas represente más de 45 por ciento del total. Aunque el primer medio es el que permite hacer la evaluación más justa de la granulometría de la arena, la información que se maneja con más facilidad corresponde al módulo de finura, porque es un valor práctico que permite hacer un juicio rápido de la tendencia granulométrica de la arena. Así, normalmente se considera que si el módulo de finura resulta inferior a 2.3 la arena es demasiado fina, y si resulta superior a 3.1 es demasiado gruesa. Como se verá más adelante, el módulo de finura de la arena es un dato que se requiere y utiliza con frecuencia para el diseño de las mezclas de concreto, por considerarlo un índice suficientemente aproximado de su granulometría.

El requerimiento de mantener la composición granulométrica de la arena dentro de ciertos límites de tolerancia, tiene por objeto tratar de equilibrar dos tendencias opuestas de efectos igualmente indeseables: 1) por una parte, a medida que la arena es más fina, se incrementa la proporción de pasta de cemento requerida para recubrir sus partículas, lo que repercute en mayores cambios volumétricos de1 mortero y del concreto, y 2) por la parte contraria, conforme la arena se vuelve gruesa tiende a influir adversamente en las características deseables del concreto fresco, tales coma su plasticidad, homogeneidad, oposición a la segregación y sangrado, y disposición para lograr una buena textura superficial durante el acabado.