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Boletín Técnico / Mayo 2014 / Número 50

La resistencia del concreto

La razón de ser de los ensayos de resistencia

La propiedad más conocida del concreto es sin duda alguna su resistencia. De hecho, es la propiedad a la cual se hace referencia la mayoría de las veces para determinar la aceptación o rechazo de una mezcla de concreto.

DESCARGAR

Para Ozyildirim y otros (2006), esto se debe a tres razones principales, la primera, la resistencia del concreto brinda información directa de su capacidad de resistir cargas en aplicaciones estructurales, ya sea que los elementos estén sometidos a tensión, compresión, cortante o cualquier combinación de estas solicitaciones (ver Ilustración 1).

La segunda, las pruebas de resistencia en el concreto son relativamente fáciles de ejecutar y su aplicación tiene una amplia aceptación dentro de la práctica ingenieril.

La tercera, diferentes correlaciones pueden ser desarrolladas relacionando la resistencia del concreto con otras propiedades que son de difícil medición. Sin embargo, este tipo de correlaciones empíricas deben realizarse con sumo cuidado y precaución para minimizar errores intrínsecos a ellas. Por otro lado, cuando propiedades específicas del concreto no relacionadas a su resistencia son determinantes, estas correlaciones no deberían realizarse, sino la medición directa de dicha propiedad.
 

Edificio Concreto

Ilustración 1. Concreto utilizado en aplicaciones estructurales  

Propósitos de las pruebas de resistencia

Ozyildirim y otros (2006), también mencionan que la ejecución de las pruebas de resistencia de especímenes de concreto tiene tres propósitos principales:

  • Para investigación
  • Para el control y aseguramiento de la calidad
  • Para la determinación de la resistencia del concreto en el sitio

La investigación de la resistencia del concreto tiene como objetivo determinar los efectos que se generan sobre la resistencia del concreto, la variación, inclusión y proporcionamiento de diferentes materiales dentro de la mezcla a ser ensayada. Asimismo, en este nivel pueden incluirse diferentes correlaciones para obtener valores de referencia cuando se requiere conocer otras características del concreto a partir de su resistencia.

En el caso de las construcciones, las pruebas de resistencia son efectuadas sobre especímenes moldeados de muestras de concreto tomadas en el sitio. En este caso, las pruebas de resistencia pueden servir como base de juicio para determinar la adecuación de la mezcla a los requisitos estructurales del elemento (pruebas de aceptación o rechazo) o para dar seguimiento a los cambios en la resistencia que pueden indicar problemas de calidad del fabricante de concreto o de cambios en las condiciones de trabajo.

La determinación de la resistencia del concreto en el sitio es fundamental para determinar en qué momento el concreto tiene la resistencia suficiente para permitir cargas de construcción, retiro de formaletas, aplicación de cargas de pre-esfuerzo o de apertura al tráfico en el caso de pisos y pavimentos de concreto.


Para los dos primeros casos (investigación y control de calidad), los especímenes son curados en condiciones ideales de laboratorio, por lo que representan la resistencia potencial del concreto bajo estudio. En el caso de la determinación de la resistencia en el sitio, los especímenes son curados bajo las mismas condiciones del elemento de concreto o bien son extraídos de la estructura existente (ver Ilustración 2), por lo que en teoría se asemejan más a la resistencia del concreto en el elemento.

La determinación de la resistencia del concreto en el sitio es fundamental para determinar en qué momento el concreto tiene la resistencia suficiente para permitir cargas de construcción, retiro de formaletas, aplicación de cargas de pre-esfuerzo o de apertura al tráfico en el caso de pisos y pavimentos de concreto.

 

Nucleo

Ilustración 2. Núcleo de concreto extraído

Para los dos primeros casos (investigación y control de calidad), los especímenes son curados en condiciones ideales de laboratorio, por lo que representan la resistencia potencial del concreto bajo estudio. En el caso de la determinación de la resistencia en el sitio, los especímenes son curados bajo las mismas condiciones del elemento de concreto o bien son extraídos de la estructura existente, por lo que en teoría se asemejan más a la resistencia del concreto en el elemento.

Métodos estandarizados de prueba

A pesar de las facilidades y utilidades mencionadas anteriormente, acerca de las pruebas de resistencia del concreto y de la resistencia misma como propiedad característica de una mezcla de concreto, desafortunadamente ésta (la resistencia del concreto) no es una propiedad absoluta.

Numerosas investigaciones han demostrado que los resultados de pruebas de resistencia, obtenidos de una mezcla de concreto dada, dependerán de diferentes factores, tales como, tamaño, forma y preparación de los especímenes y el método de carga (Ozyildirim, y otros, 2006), por mencionar algunos.

Por esta razón, existen diversas prácticas y métodos de prueba estandarizados para obtener resultados confiables de la resistencia del concreto. Estas prácticas y métodos incluyen la toma de muestras, elaboración, curado y manejo de especímenes cilíndricos y prismáticos, obtención de especímenes aserrados, preparación de las superficies y ensayo.

Obtención de muestras y especímenes moldeados

Tal y como se dijo, las pruebas de resistencia son fundamentales para determinar la aceptación o rechazo del concreto en la obra. Para esto, las muestras a partir de las cuales son elaborados los especímenes de prueba (cilindros o viguetas) deben ser representativas de la masa de concreto bajo estudio.

La práctica ASTM C 172 brinda indicaciones para el correcto muestreo de una amasada de concreto. Entre las principales indicaciones, se encuentra la de no tomar la muestra de concreto ni en el principio ni en el final de la descarga, esto reduce el potencial de segregación dentro de la muestra y brinda mayor representatividad de las propiedades promedio de la mezcla.

A partir de la muestra representativa, los especímenes pueden ser moldeados según la práctica establecida en ASTM C 31 para especímenes tomados en campo y según ASTM C 192 para especímenes tomados en laboratorio. ASTM C 873 brinda los procedimientos para elaborar cilindros moldeados y curados en campo, los cuales son utilizados para determinar la resistencia in situ del concreto.


Obtención de especímenes extraídos

Los especímenes extraídos de estructuras existentes (núcleos o viguetas) mediante aserrado son utilizados con el propósito de brindar información acerca de la resistencia del concreto en los elementos bajo estudio.

Los núcleos son útiles en el caso de resultados de resistencia en especímenes moldeados (según ASTM C 31) por debajo del mínimo especificado, o en el caso donde se requiera información de estructuras antiguas.

El método de prueba ASTM C 42 brinda los lineamientos necesarios para obtener los especímenes para la evaluación de la resistencia del concreto en elementos existentes. La extracción y manejo de los especímenes debe realizarse con suma precaución debido a la influencia de estos factores en los resultados de resistencia.

De hecho, en el ensayo de especímenes extraídos debe considerarse la reducción de la resistencia por efecto de la extracción misma, por lo que es preciso un análisis cuidadoso de los resultados obtenidos antes de emitirse un veredicto definitivo a partir de ellos.

Ensayo de los especímenes

Una vez obtenidos los especímenes de prueba, estos deben ser sometidos a un proceso estandarizado de aplicación de carga para obtener el valor de resistencia del concreto ensayado. Aunque existen diversos métodos de ensayo, los más utilizados en la práctica son ASTM C 39 para resistencia a compresión y ASTM C 78 para resistencia a flexión.

Resistencia a compresión

El método de ensayo establecido en ASTM C 39, es el procedimiento estandarizado para pruebas de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos ya sean moldeados (ASTM C 31 y ASTM C 192), curados en el sitio (ASTM C 873) o extraídos (ASTM C 42).

Es preciso destacar que en ASTM C 39 se contempla la necesidad de cumplir con las tolerancias de planicidad en los extremos del cilindro (no mayor a 0.050 mm) y de perpendicularidad entre el eje y dichos extremos (hasta 0.5º). Cuando estas tolerancias no se cumplen, los cilindros deben ser cortados, desbastados o utilizar capas adheridas o no adheridas para cumplir con estas tolerancias.

En el caso de la utilización de capas adheridas (ver Ilustración 3), debe cumplirse con la norma ASTM C 617. Cuando se utilizan capas no adheridas (ver Ilustración 4), se deben cumplir los lineamientos de ASTM C 1231. Debe tenerse presente que los requisitos de planicidad y perpendicularidad son necesarios para propiciar la transferencia uniforme de las cargas al elemento ensayado y para evitar esfuerzos concentrados que brinden resultados erróneos de la resistencia del concreto ensayado.

Azufre tapaadherido

Ilustración 3. Ensayo de resistencia a compresión con tapas adheridas de azufre

 

Refrendadores

Ilustración 4. Ensayo de resistencia a compresión con tapas no adheridas (refrendadores)


Resistencia a flexión

En el caso de elementos prismáticos (viguetas), utilizados para determinar la resistencia a flexión del concreto, el método de ensayo más utilizado es ASTM C 78 con puntos de carga a los tercios medios de la vigueta (espécimen de ensayo). También existe el método de ensayo ASTM C 293 con punto de carga al centro del espécimen, sin embargo, por la alta variabilidad de este último, ASTM C 78 es el método más utilizado.

El método de prueba descrito en ASTM C 78 (ver Ilustración 5) permite obtener una zona de mayor longitud (un tercio del espécimen), en donde los esfuerzos cortantes son cero, por lo que en esta zona el elemento está sometido únicamente a flexión ocasionada por el momento flexionante. El esfuerzo de falla ocasionado por dicho momento en la fibra extrema del elemento se conoce como "Módulo de Ruptura" del concreto.

 

Flexion

Ilustración 5. Ensayo de resistencia a flexión 

El módulo de ruptura es sumamente útil para evaluar la conformidad de la mezcla de concreto en el caso de aplicaciones que estarán sometidas principalmente a esfuerzos de flexión y sin refuerzo, tal es el caso de pisos industriales y pavimentos de concreto.

Relación entre la resistencia a compresión y la resistencia a flexión (f´c vs MR)

Dada la facilidad y economía de las pruebas de resistencia a compresión, numerosas relaciones empíricas han sido desarrolladas para estimar otras propiedades de resistencia del concreto a partir de pruebas de resistencia a compresión, entre ellas la resistencia a flexión o módulo de ruptura.

Entre otras cosas, esto se debe a la relativa facilidad con la que se moldean y manipulan los especímenes cilíndricos necesarios para ejecutar las pruebas de resistencia a compresión, en comparación con las viguetas necesarias en las pruebas a flexión.

Un espécimen cilíndrico de un concreto normal, con 15 cm de diámetro y 30 cm de altura, pesa alrededor de 13 kg, en tanto que una vigueta, con 15 cm de ancho, 15 cm de alto y 50 cm de largo, pesa alrededor de 27 kg, más del doble del peso de un cilindro (ver Ilustración 6). 

 

Especimenes

Ilustración 6. Viguetas y cilindros en una pila de curado. Nótese la diferencia en tamaño entre ambos 

Este incremento en el peso dificulta la manipulación de los especímenes durante el transporte y manipulación hasta el sitio de la prueba, lo que muchas veces resulta en golpes que afectan el resultado obtenido en la prueba.

Asimismo, el ensayo es altamente sensible a las condiciones de humedad en la superficie de la vigueta, cuando la superficie se seca rápidamente antes de ensayarla, se producen microgrietas que disminuyen la resistencia hasta en un 33% (Ozyildirim, y otros, 2006).

Factores como los descritos anteriormente, hacen que los resultados de los ensayos de resistencia a compresión sean más confiables y consistentes que los resultados obtenidos de las pruebas de resistencia a flexión.


Ecuaciones empíricas de correlación

Teniendo esto en cuenta, la buena práctica ingenieril recomienda que las mezclas de concreto en el caso de pisos y pavimentos, los cuales estarán sometidos a flexión, sean diseñadas para cumplir un módulo de ruptura, pero que a la vez dichas mezclas sean evaluadas a compresión (ver Ilustración 7).

Estos resultados de resistencia, tanto a compresión como a flexión, permitirán relacionar ambas propiedades mediante una ecuación de correlación de la forma MR=k*(f´c)1/2 (ACI 330 R-08, 2014). Esta ecuación facilitará que las pruebas de control y aceptación del concreto, durante la etapa constructiva, sean realizadas mediante ensayos de resistencia a compresión, cuyos resultados son menos variables y más confiables (ver Gráfico 1).

 

Vigas y cilindros

 Ilustración 7. Viguetas y cilindros en una pila de curado. Nótese la diferencia en tamaño entre ambos 

Gráfico 1. Correlación MR - F´c

Correlacion

La relación entre la resistencia a compresión (f´c) y el módulo de ruptura (MR) está influenciada por muchos factores, incluyendo las propiedades del agregado grueso, el curado, el contenido de aire, entre otros (Ozyildirim, y otros, 2006). Por tal razón, aunque en numerosa bibliografía se encuentren diversas ecuaciones de correlación, lo mejor es desarrollar una ecuación específica para el proyecto en cuestión, con los materiales y proporciones que será utilizados en la obra. Esto disminuirá la incertidumbre del proyecto y facilitará el control de calidad durante la ejecución de la obra.


Conclusiones

La resistencia del concreto es la propiedad más examinada en una mezcla de concreto, dado que, en la mayoría de los casos, su aceptación o rechazo en obra está ligado a criterios o límites de resistencia mecánica.

Ya sea que los resultados de pruebas de resistencia se utilicen para investigación, control de calidad o para determinar la resistencia del concreto en el sitio, los ensayos deben realizarse de acuerdo a prácticas estandarizadas para garantizar la confiabilidad y repetibilidad de los resultados.

Aunque existen diversos métodos de ensayo para evaluar la resistencia mecánica del concreto, dos de los métodos más utilizados están asociados a la resistencia del concreto a compresión (ASTM C 39) y resistencia del concreto a flexión (ASTM C 78).

Dada la practicidad y confiabilidad de los ensayos de resistencia a compresión, es recomendable realizar los ensayos de control de calidad mediante esta práctica. Para esto es necesario desarrollar una ecuación de correlación entre la resistencia a flexión y la resistencia a compresión durante el desarrollo de la mezcla de trabajo.

Bibliografía

ACI 330 R-08 Guide for the design and construction of concrete parking lots [Sección de libro] // ACI Manual of Concrete Practice 2014 / aut. libro Institute American Concrete. - Farmington Hills, MI : American Concrete Institute, 2014. - Vol. 3.

Ozyildirim Celik y Carino Nicholas J. Concrete Strength Testing [Sección de libro] // Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials STP 169D. - West Conshonhoken, PA : ASTM International, 2006.


Pavimentos de concreto: Cuidado con las barras de amarre

Las barras de amarre en los pavimentos de concreto, son varillas de acero de refuerzo corrugado colocadas en las juntas longitudinales del pavimento y a la mitad del espesor, para proveer unidad estructural entre las losas adyacentes del pavimento y evitar que la junta longitudinal se separe.

Adicionalmente, las barras de amarre en las juntas longitudinales proveen transferencia de carga entre las losas adyacentes, lo que minimiza los efectos de carga de borde en las juntas longitudinales de construcción y maximiza la transferencia de carga en las juntas longitudinales aserradas.

Las barras de amarre pueden ser colocadas en fresco (ver Ilustración 1) o pueden ser colocadas cuando el concreto ha endurecido, en este último caso, los agujeros deben realizarse con un barreno horizontal y las barras deben ser recolocadas embebidas con un material epóxico para proveer amarre entre el acero y el concreto endurecido.

En algunas ocasiones, cuando las barras son colocadas en fresco utilizando agujeros en la formaleta y éstas deben ser retiradas para permitir que el retiro de la formaleta no dañe el concreto colocado, las barras también deben ser embebidas con un material epóxico en el momento de su recolocación.

 

 Barra amarre

Ilustración 1. Colocación de barra de amarre en fresco

Las barras deben quedar aproximadamente a mitad del espesor de la losa y en forma paralela a la superficie del pavimento, con una mitad a cada lado de la junta longitudinal. Las dimensiones y espaciamientos entre varillas pueden variar en función del tamaño y grado de la barra, el espesor de la losa y la distancia entre la junta y el borde libre de la losa. La Tabla 1 es una guía de dimensionamiento de barras de amarre del ACI 325.12R-02.

 Tabla 1. Dimensiones y espaciamiento de las barras de amarre en pavimentos de concreto (Grado 60)

Espesor de losa (mm) Diámetro de la barra (mm) Longitud de la barra (mm) Espaciamiento entre barras centro a centro (mm)
Distancia al extremo libre
3.0 m 3.7 m 4.3 m 7.3 m
150 13 600 760 760 760 700
150  13  600  760 760  760  580 
180  13  600  760  760  760  500 
200  13  600  760  760  760  430 
230  16  760  900  900  900  600 
250  16  760  900  900  900  560 
280  16  760  900  900  860  500 
310  16  760  900  900  780  460 

¿Sabía usted?

Que una mezcla de concreto (ver Ilustración 1) debe cumplir, además de requisitos de resistencia, requisitos de durabilidad. De hecho el ACI 318 en su artículo 4.2, establece 4 categorías de exposición, divididas en 13 clases de exposición, que se deben tomar en consideración para diseñar una mezcla de concreto durable:

Categoría F: Concreto expuesto a humedad y ciclos de congelación y deshielo. Comprende las clases F0 (no aplicable), F1 (moderado), F2 (severo) y F3 (muy severo).

Categoría S: Concreto en contacto con agua o suelos con contenidos de sulfatos solubles en agua. Comprende las clases S0 (no aplicable), S1 (moderado), S2 (severo) y S3 (muy severo).

 

Mezcla

Ilustración 1. Una mezcla de concreto debe cumplir con requisitos de resistencia y de durabilidad

Categoría P: Concreto en contacto con agua y que requiere baja permeabilidad. Comprende las clases P0 (no aplicable), S1 (requerido).

Categoría C: Concreto reforzado y/o presforzado expuesto a condiciones que requieren protección adicional contra la corrosión del acero de refuerzo o presfuerzo. Comprende las clases C0 (no aplicable), C1 (moderado), C2 (severo).

Para cada una de estas clases de exposición existen consideraciones tanto sobre la relación agua/material cementante, como del material cementante mismo que debe utilizarse en cada caso. El capítulo 4 de este código brinda información de vital importancia para la concepción de proyectos durables.