ICC2104 Lab Agregados 2014 2

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERA Departamento de Ingeniera y Gestin de la Construccin

ICC 2104 Tecnologa de Materiales de Ingeniera Civil

Laboratorio

Agregados o ridos

Autores: Mauricio Lpez Javier Castro Ricardo Serpell, Profesores del Curso

Felipe Rivera Ivn Navarrete, Ayudantes del Curso Versin: 2014-2

Gua Laboratorio Agregados ICC 2104

Seccin 1: Antecedentes

1.1 Introduccin Entre los materiales de ingeniera se distinguen tambin algunos que no se utilizan por s solos, sino que combinados con otros, como componentes de materiales compuestos. Los ridos o agregados cumplen el rol de componente en diversos materiales de la ingeniera civil, entre los que destacan el hormign y las mezclas asflticas. En dichos materiales, los agregados actan como relleno y como esqueleto inerte, logrando materiales de menor costo y mayor estabilidad. En esta experiencia se vern los principales ensayos que se realizan para caracterizar las propiedades de ingeniera de los agregados. La actividad se dividir en dos partes: la primera de ellas ser dedicada a los agregados finos, o arenas, estudiando su densidad, esponjamiento, contenido de partculas finas, absorcin y granulometra. La segunda parte estar dedicada a los agregados gruesos (grava o gravilla), estudiando su densidad aparente y real, su granulometra y su capacidad de absorcin.

1.2 Definiciones rido o Agregado: en ingeniera civil, se refiere a la masa de roca fragmentada compuesta de

partculas de diferentes tamaos. Se destina principalmente a dos propsitos: (1) subcapas para apoyar fundaciones y pavimentos y (2) como ingrediente en hormigones y mezclas asflticas.

rido grueso: rido con partculas de tamao mayor a 5mm; es decir, retenido en el tamiz de 5mm. Comnmente se clasifica en grava (tamaos entre 20 y 40mm) y gravilla (tamaos entre 5 y 20mm).

rido fino: rido con partculas de tamao menor a 5mm; es decir, pasa en el tamiz de 5mm. Comnmente se le denomina arena.

Finos: rido que pasa el tamiz 0,080mm, por lo general compuesto por limos y arcillas. La cantidad de finos se expresa en porcentaje en relacin a la masa total.

Poros: son los espacios vacos al interior de una unidad slida. Hay poros accesibles desde el exterior, es decir permeables, y poros inaccesibles, impermeables (Fig. 1).

Figura 1: Vista en corte de un rido en condicin seca y SSS

Poros accesibles Poros inaccesibles Slido

Condicin Saturada

superficialmente seca (SSS)

Agua Slido


Materia orgnica: corresponde a restos vegetales o animales descompuestos, los cuales se mezclan en la arena, formando parte de ella. Por lo general vienen en arenas rodadas, y por sobre cierto lmite puede ser perjudicial para hormign o las mezclas asflticas.

Condicin Saturada Superficialmente Seca (SSS): condicin en la que se encuentran las partculas del agregado cuando todos sus poros accesibles se encuentran llenos de agua, pero su superficie se encuentra seca. Por lo tanto, el volumen real SSS corresponde al volumen de las partculas incluyendo toda su porosidad interna, y la masa SSS corresponde a la masa de las partculas ms la masa del agua que pueden absorber.

Densidad real SSS: equivale al cociente entre la masa SSS y su volumen real SSS, es decir aquel que incluye todos los poros accesibles e inaccesibles de las partculas, pero excluye los huecos entre las partculas (Fig. 2). Por lo tanto, no depende del contenido de huecos del rido. Se expresa en kg/m3.

Figura 2: Volumen aparente (incluye huecos entre partculas del agregado) y volumen real

En la determinacin del volumen real se emplea el principio de Arqumedes, en el que la masa de agua desplazada por un objeto equivale a su volumen. Por esto ltimo, la frmula considera el factor de conversin por la densidad del agua en el denominador (1000 en el caso de la Ec. 1 mostrada a continuacin).

Densidad Real SSS ( kg

m3 ) =

mSSS

ma+ mSSS mm 1000 (Ec. 1)

Con : masa de la muestra saturada superficialmente seca (sss)(kg) : () : ()

Densidad real seca: equivale al cociente entre la masa seca del rido y su volumen real SSS (por norma). Se expresa en kg/m3 (Ec. 2).

Densidad Real Seca ( kg

m3 ) =

ms

ma+ mSSS mm 1000 (Ec.2)

Con las variables previamente definidas y

: masa de la muestra seca al horno (kg)

Densidad neta: equivale al cociente entre la masa seca y su volumen real seco, es decir, aquel que incluye los poros inaccesibles de las partculas, pero se excluye sus poros accesibles y los huecos entre las partculas (Ec. 3). Se expresa en kg/m3.


Densidad Neta ( kg

m3 ) =

ms

ma+ mS mm 1000 (Ec. 3)

Densidad aparente: equivale a la masa del agregado dividida por el volumen que ocupa incluyendo los poros de las partculas y los huecos entre partculas (llamado tambin volumen unitario). Es decir, se considera el volumen aparente del material (Ec. 4). La densidad aparente se expresa generalmente en kg/m3.

Densidad Aparente ( kg

m3 ) =

Masa (sss o seca)

Volsolido+ Volporos + Volhuecos (Ec. 4)

Capacidad de absorcin de agua: corresponde a la masa de agua necesaria para llevar un rido desde el estado seco al SSS. Se expresa como porcentaje de la masa del rido seco (secado hasta masa constante) (Ec. 5).

Abs(%) =mSSSmS

mSx100 (Ec. 5)

Esponjamiento: corresponde al aumento de volumen experimentado por una masa de rido

fino causado por la presin de la pelcula de agua que separa las partculas. Se expresa en porcentaje (Ec. 6).

E(%) =VashVacs

Vacsx100 =

hashhacs

hacsx100 (Ec. 6)

Con

Vash: volumen aparente suelto hmedo Vacs: volumen aparente compactado seco hash: altura aparente suelta hmeda de muestra en vaso graduado hacs: altura aparente compactada seca de muestra en vaso graduado

Granulometra o curva granulomtrica: es la distribucin de tamaos que tienen las partculas de un rido, y se representa graficando, para cada tamiz utilizado para separar la muestra en diferentes rangos de tamaos, el porcentaje acumulado del peso total de la muestra cuyo tamao es menor a la apertura del tamiz. En el anexo se incluye informacin detallada y un ejemplo del clculo de la curva.

Seccin 2: Actividades de Laboratorio

2.1 Arenas (rido de tamao menor a 5mm, pasa tamiz ASTM #4) Los ensayos realizados durante esta experiencia de laboratorio, tienen los siguientes objetivos: familiarizarse con algunos de los ensayos que se realizan habitualmente a la arena y conocer sus valores caractersticos. Aprender a medir y calcular densidades que dependen tanto de la compactacin como de la humedad del rido, conocer y medir granulometra, absorcin, cantidad de materiales finos, esponjamiento y materia orgnica.


2.1.1 Clculo de porcentaje de finos Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: balanza, recipiente con vertedero, tamices y estufa. Adems utilizaremos los siguientes materiales: agua y arena.

Mtodo Colocar una muestra de arena seca de aproximadamente 500g (m) en un recipiente y agregar agua hasta cubrirla. Agitar vigorosamente. Vaciar el agua con el material fino en suspensin o en disolucin a travs de los tamices de 1,25 mm y 0,080 mm (#200) dispuestos de mayor a menor. Repetir la operacin hasta que el agua agitada con la muestra permanezca limpia y clara. Reunir el material retenido en los tamices con el material de la muestra. Secar la muestra hasta masa constante, en estufa u horno, a temperatura de 110C 5C. Pesar y registrar la masa de la muestra de ensayo lavada y seca (ms). En arenas para hormigones sometidos a desgaste el contenido de finos no deber ser mayor a 3% 5% dependiendo del tipo de elemento. La cantidad de finos se calcula usando la Ec. 9.

Porcentaje de finos (%) =mmS

m x100 (Ec. 9)

Donde

: masa inicial de la muestra en estado seco (aproximadamente 500gr) : masa de la muestra lavada y seca

Nota: debido a que esta experiencia toma mucho tiempo en realizarse, se realizar de manera demostrativa, viendo los pasos de la ejecucin y los resultados de cada uno de estos pasos.

2.1.2 Clculo de capacidad de absorcin de agua, densidad real y densidad neta Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizar el siguiente equipo: balanza, picnmetro, tamices, cono, pisn y

estufa/horno. Adems utilizaremos los siguientes materiales: agua y arena.

Mtodo Previo a este ensayo se debe determinar el peso del picnmetro lleno de agua hasta la marca de aforo (), procurando que est seco por el exterior. Tomar una muestra de arena lavada y sin finos de aproximadamente 500g y colocarla en el picnmetro (matraz de 500ml) agregando agua hasta la marca de aforo. Se coloca la tapa cnica y se mueve el picnmetro para eliminar las burbujas de aire atrapado y se afora. El picnmetro se seca por el exterior y se pesa (). Vaciar el contenido del picnmetro y quitar el agua pasndola por la malla de 0.080mm. Una vez lavados los finos, secar la muestra en una corriente de aire hasta que al formar el cono, ste se


desarme permaneciendo como un cono ms abierto y simtrico, garantizando un estado seco (ver anexos, Fig. A1). Determinar la masa de la arena saturada superficialmente seca (). Introducir en horno a 105C por 24 horas hasta obtener arena seca, enfriar y pesar (). La absorcin se calcula como la cantidad de agua presente en el rido en condicin saturada con superficie seca ( ), expresada como porcentaje de la masa de rido seco (). La densidad real se determina como el cociente del peso del rido (en condicin seca) y el volumen real ocupado por el rido (en condicin SSS), de acuerdo a lo indicado en la Ec. 2. La densidad neta se determina como el cociente del peso del rido (en condicin seca) y el volumen real ocupado por el rido (en condicin seca), de acuerdo a lo indicado en la Ec. 3.

2.1.3 Medicin de la densidad aparente Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: balanza, estufa, recipiente de volumen conocido, pisn, purua y regla de enrase. Adems utilizaremos los siguientes materiales: arena.

Mtodo (a) Densidad Aparente Compactada Llenar un recipiente de volumen conocido con arena en estado natural agregando la arena progresivamente, en tres capas de espesores similares. Emparejar cada capa y compactar mediante 25 golpes de pisn uniformemente repartidos. Las capas se apisonan haciendo penetrar el pisn en la capa inmediatamente inferior, cuidando de no golpear el fondo del recipiente. Eliminar el exceso de rido empleando la regla de enrase, sin presionar. Registrar la masa del recipiente con arena. Dado que se conoce el volumen y el peso del recipiente vaco, se obtiene de este modo la masa de la arena compactada (). (b) Densidad Aparente Suelta Llenar un recipiente de volumen conocido con una purua, descargando la arena desde una altura de aproximadamente 5cm sobre el borde superior del recipiente. Eliminar el exceso de rido con la regla de enrase, sin presionar ni mover en forma brusca el recipiente. Registrar la masa del recipiente con arena. Dado que se conoce el volumen y el peso del recipiente vaco, se obtiene as la masa de la arena suelta (). La densidad aparente de la arena se obtiene de las Ec. 10 y 11:

Densidad Aparente Compactada =mR+ACmR

VR=

mCOMP

VR (Ec. 10)

Densidad Aparente Suelta =mR+ASmR

VR=

mSU

VR (Ec. 11)

Donde +: masa del recipiente con arena compactada +: masa del recipiente con arena suelta : masa del recipiente vaco : masa de la arena compactada : masa de la arena suelta : volumen del recipiente


2.1.4 Medicin del esponjamiento Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: probeta o vaso cilndrico graduado. Adems utilizaremos los siguientes materiales: agua y arena.

Mtodo Debido a que el volumen compactado y seco de la arena () es muy similar al volumen de la misma arena totalmente sumergida en agua, se puede utilizar un mtodo simplificado para medir el esponjamiento a cada contenido de humedad. Colocar una muestra de arena seca en la probeta y medir su altura (). Agregar 5ml de agua y registrar la altura de la arena. Repetir el paso anterior hasta que la arena comience a reducir su altura luego de alcanzar el esponjamiento mximo. Agregar agua hasta que la arena quede totalmente sumergida (Fig. 3). Agitar para eliminar las burbujas de aire y medir nuevamente la altura de la arena sumergida en agua (), la cual es representativa del volumen de la arena compactada y seca ().

Figura 3: Correccin de arena por esponjamiento.

2.1.5 Medicin de la granulometra Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: balanza, tamices, escobilla y recipiente con vertedero. Adems utilizaremos los siguientes materiales: arena previamente lavada.

Mtodo La granulometra se realiza sobre el rido limpio (sin finos), pero se expresa como porcentaje de su masa original (incluyendo los finos). El material se separa hacindolo pasar por una serie de tamices ASTM o mm, con las siguientes aberturas nominales (Tabla 1):

Tabla 1: Mallas para Anlisis Granulomtrico

ASTM 3 1 3/8 #4 #8 #16 #30 #50 #100

Mm 80 40 20 10 5 2.5 1.25 0.630 0.315 0.160


Determinar la masa del material que es retenida en cada tamiz, y retenida en el depsito receptor al final. Calcular el porcentaje parcial retenido en cada tamiz en relacin a la masa total de las fracciones retenidas, aproximado al 1%. La granulometra se expresa como porcentaje acumulado que pasa, y con esto se construye una curva granulomtrica (ver anexo A3 de Curvas Granulomtricas). Se rechazar el ensayo cuando la masa total de las fracciones retenidas en todos los tamices y en el depsito receptor difiera en ms de un 3% para las arenas o 0,5% para las gravas, en relacin a la masa inicial medida antes del tamizado.

2.2 Gravas y Gravillas (tamao mayor a 5mm, retenido en tamiz ASTM 4) Los ensayos realizados durante esta experiencia de laboratorio, tienen los siguientes objetivos: familiarizarse con algunos de los ensayos caractersticos que se le realizan tanto a la grava como a la gravilla, pues sus valores son de suma importancia al momento de confeccionar hormigones y mezclas asflticas.

2.2.1 Medicin de la Densidad Real (Peso Especfico)

Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizarn los siguientes equipos: balanza, recipiente con vertedero, recipiente con agua y canastillo sumergible. Adems se requerirn los siguientes materiales: grava y gravilla.

Mtodos (a) Mtodo del desplazamiento de agua

Se utiliza este mtodo para calcular la densidad real para materiales granulares o para probetas con forma y dimensiones irregulares.

Pesar la muestra y registrar el resultado. Llenar de agua un recipiente con vertedero y colocar una probeta graduada bajo el surtidor (Fig. 4). Transferir la muestra al recipiente y medir el volumen de agua vertida hacia la probeta. El agua desplazada corresponder al volumen real del material sumergido (siempre y cuando no se generen excesivas burbujas). Si el material es poroso, ste debe ser previamente llevado a condicin SSS para llenar los poros accesibles con agua y as evitar que al sumergirlo en el recipiente con vertedero desplace menor cantidad de agua que la de su volumen real. Si el espcimen flota, el volumen se puede determinar en dos etapas usando un peso adicional: medir el volumen del peso de acuerdo al procedimiento indicado previamente y luego medir el volumen de la probeta con el peso. Para materiales que se disuelven en agua se debe utilizar otro lquido (por ejemplo: parafina).


Figura 4: Mtodo para densidad real del desplazamiento de agua

(b) Mtodo del peso sumergido

Registrar el peso de la muestra en una balanza (A). Registrar el peso de la muestra sumergida en agua (B) (Fig. 5a). De esta forma, se determina la disminucin de peso por inmersin (que corresponde al volumen de agua desplazado por el cuerpo) y se calcula el peso especfico (Ec. 12).

Peso especfico =Peso de la muestra en aire

Prdida de peso al sumergirla en agua=

A

AB (Ec. 12)

Si el material flota en agua, se puede utilizar un lastre de masa M1, que servir para hundir el material: medir el peso sumergido del lastre siguiendo el proceso descrito anteriormente (Fig. 5b), y determinar su volumen (V1). Medir el peso sumergido del conjunto (B*) utilizando el mismo procedimiento (Fig. 5c).

Masa muestra en el aire Masa del lastre en el aire Masa de la muestra + lastre en el aire Volumen del lastre Masa muestra + lastre sumergidos Prdida de peso de la muestra + lastre Volumen real de muestra

A M1 A* = A + M1 V1 B* A* B* A* B* V1

Peso especfico =Peso de la muestra en aire

Prdida de peso al sumergirla en agua=

A

ABV1 (Ec. 13)

Figura 5: Mtodo para densidad real de la prdida de peso

Probeta graduada

Recipiente con vertedero Agua Material

Agua

Canasto de Rejilla

metlica

Balanza

Material

Agua

Canasto de Rejilla

metlica

Balanza

lastre

a b c Material

Material menos denso que el agua (con lastre)

Agua

Material ms denso que el agua

Canasto de Rejilla

metlica

Balanza

lastre


2.2.2 Medicin de la capacidad de absorcin

Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizarn los siguientes equipos: balanza, recipiente con agua, horno y cronmetro. Adems se requerirn los siguientes materiales: grava y gravilla.

Mtodo Registrar la masa inicial de una muestra de cada material en estado seco al horno. Saturar las muestras sumergindolas en agua por 24 horas. Nota: por su carcter demostrativo en esta experiencia las muestras se sumergen en agua por slo 10 minutos. Remover las muestras del agua y secar su superficie con un pao. Registrar la masa de las muestras saturadas y superficialmente secas. Secar nuevamente las muestras en el horno para determinar su masa seca.

2.2.3 Medicin de la densidad aparente Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: balanza, recipiente de volumen conocido, pisn, purua y regla de enrase. Adems utilizaremos los siguientes materiales: gravilla.

Mtodo Se repiten los procedimientos presentados previamente para el clculo de densidad aparente en las arenas, tanto para densidad aparente compactada como suelta. El clculo se realiza utilizando las Ec. 10 y 11.

2.2.4 Medicin de la granulometra Equipos y Materiales En esta experiencia utilizaremos el siguiente equipo: balanza, tamices, escobilla y recipiente con vertedero. Adems utilizaremos los siguientes materiales: arena previamente lavada.

Mtodo La granulometra se realiza sobre el rido limpio (sin finos), pero se expresa como porcentaje de su masa original (incluyendo los finos). Los materiales de esta experiencia se separan hacindolos pasar por una serie de tamices con las aberturas nominales presentadas en la Tabla 1. La construccin de la curva granulomtrica se hace de acuerdo a lo indicado en el punto 2.1.5 y en el anexo A3.

Seccin 3: Anlisis

3.1. Presentacin de resultados Presente de la forma que considere ms adecuada al menos los siguientes resultados: Densidad aparente, real seca, real SSS y neta, y volumen de huecos para los ridos analizados.


Grafique la curva granulomtrica de cada uno de los ridos analizados y clasifquelos como rido grueso o fino. Determine el tamao mximo nominal y mximo absoluto y el mdulo de finura.

Determine las propiedades de un rido combinado (densidad real SSS, absorcin y granulometra) que se obtiene de combinar ambos ridos estudiados en una proporcin de 55%+45% (por masa de arena y gravilla, respectivamente).

Determine las propiedades de un rido combinado (densidad real SSS, absorcin y granulometra) que se obtiene de combinar ambos ridos estudiados en una proporcin de 55%+45% (por volumen de arena y gravilla, respectivamente)

Ayuda: algunas propiedades de ridos combinados son proporcionales al volumen y otras a la masa. Se le recomienda deducir las ecuaciones para cada propiedad y no asumir linearidad.

3.2 Requerimientos mnimos a incluir en el anlisis En su anlisis incluya al menos los siguientes aspectos:

Discuta la importancia de las propiedades vistas en este laboratorio y explique por qu es

relevante controlarlas al dosificar una mezcla (asfalto u hormign). Qu sucedera en tales casos si las propiedades de los ridos no son controladas y variaran sus valores?

Comente por qu se mide la granulometra de un rido y para qu puede utilizarse dicho resultado.

Investigue sobre el origen geolgico y la composicin qumica de los ridos utilizados en esta experiencia (arena y gravilla disponible en regin Metropolitana). Presente sus principales propiedades fsicas y mecnicas relevantes para la ingeniera civil.

Respecto al contenido de finos, en la gua se menciona un contenido de partculas bajo la malla de 0.080 mm de hasta 3 a 5% como mximo admisible. investigue sobre la razn por la que se limita dicho valor? Cul es el problema con una arena con un 20% de finos? Consulte las normas respectivas si as lo requiere.

Investigue sobre la relevancia de limitar la cantidad de materia orgnica en lo ridos. Describa brevemente el o los mtodos ms utilizados para determinar su presencia. Para mayor informacin puede consultar las normas chilenas NCh163, NCh164, NCh165, NCh166


Anexos A1. Determinacin condicin SSS en arenas

Figura A1: Estimacin del estado del rido segn su apariencia.


A2. Determinacin densidad real en arenas

Figura A2: Densidad real en arenas.


A3. Curvas Granulomtricas A.3.1 Introduccin Para elaborar hormign o una mezcla asfltica se deben utilizar ridos, los cuales segn sus tamaos presentan diferentes caractersticas. Por ejemplo, cierto tamao de rido ayuda a la resistencia del hormign, un rido de otro tamao ayuda a la trabajabilidad, etc. Por esta razn es importante clasificarlo segn sus dimensiones, es decir, segn su granulometra. Para hacer este anlisis se usan tamices con diferentes tamaos de mallas. Los ms usados son los confeccionados segn la norma ASTM, con una gran variedad de tamices de diferentes aberturas de sus mallas.

Tabla A1: Mallas usadas en este laboratorio, en mm y pulgadas.

A.3.2 Curva Granulomtrica El principal objetivo de las curvas granulomtricas es caracterizar un rido segn el tamao de las partculas que lo componen, y para una visualizacin ms fcil se recurre a un grfico. Este grfico en el eje vertical presenta el porcentaje que pasa por cierto tamiz, es decir, que tiene un dimetro menor que el indicado por esa malla. En el eje horizontal presenta, en escala logartmica, los tamaos de las aberturas de las mallas en orden creciente. Un ejemplo de curva granulomtrica est en la Norma Chilena NCh165, donde se indica la clasificacin de los ridos segn su distribucin granulomtrica.

Figura A3: Bandas granulomtricas segn NCh165

Leyendo este grfico, se puede ver que la arena es de un tamao menor a 9,5mm, ya que desde ah en adelante (hacia la derecha) el 100% del rido pasa los tamices de un dimetro mayor. En contraposicin tenemos el caso de las gravas, que podemos ver que son de un tamao superior a 4.75 mm, ya que por los tamices de tamaos menores (hacia la izquierda) pasa 0% del rido.


A.3.3 Ejemplo

Figura A4: Esquema de resolucin

Figura A5: Grfico curva granulomtrica

Dato: La curva que se solicitar en informes posteriores slo debe incluir las mallas que tengan relevancia, por lo tanto, debe estar comprendida entre la ltima que presente 0% hasta la primera que presente un 100%. En este ejemplo debera incluirse slo entre 5mm y 40mm.

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