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UNIVERSIDAD DE HOLGUÍN
“Oscar Lucero Moya”
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE DIPLOMA
PROPUESTA DE UTILIZACION DE ESCORIAS SIDERURGICAS EN HORMIGONES DE 20.0 MPa
JOSE ANTONIO CARBALLO RICARDO
HOLGUÍN
2015
UNIVERSIDAD DE HOLGUÍN
“Oscar Lucero Moya”
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE DIPLOMA
PROPUESTA DE UTILIZACION DE ESCORIAS SIDERURGICAS EN
HORMIGONES DE 20.0 MPa
Autor: José Antonio Carballo Ricardo
Tutor: MSc. Ing. Alkaid Benítez Pérez
HOLGUÍN
2015
Agradecimientos
A mi Papá por constituir el ejemplo de respeto y consagración que me ha guiado toda la vida,
para lograr enfrentar cada reto propuesto.
A mi Mamá por su ayuda incondicional, dedicación y paciencia en las horas precisas para la
realización de este trabajo.
A mi tutor MSc. Ing. Alkaid Benítez por todas las horas dedicadas y su colaboración.
A los Técnicos del laboratorio de la Empresa Productora de Prefabricados de Holguín por
permitir y colaborar en el desarrollo de la investigación: Julio Casas, Aurora y Onilda
A los compañeros de la ENIA, especialmente al técnico Carlos Mariel.
A todo el colectivo de profesores de la facultad, por sus aportes y esfuerzos para brindarnos sus
conocimientos.
A mis amigos y compañeros del equipo de estudio
A todas las personas que durante esta etapa han contribuido con mi formación profesional y a la
materialización de este trabajo.
Y en especial a los profesores, Alexander, Verónica y Osvaldo.
A todos, sinceramente muchas gracias
Dedicatoria:
A mis Padres José Marcelo y Daysi: Por su amor y ayuda sin límites.
A mi familia y Abuelos: Merecedores además, de mi amor y mi empeño.
A mis amigos: Los que creyeron en mí y me ayudaron hasta el final.
Resumen
La presente investigación tiene como objetivo estudiar las características físico
mecánicas y las posibilidades de utilizar el residuo siderúrgico, producido durante la
fabricación del acero, en la planta (ACINOX) de la provincia de Las Tunas, como
material de construcción, en sustitución del árido fino convencional para fabricar
hormigones estructurales de una resistencia de 20.0 MPa. Respondiendo a la
necesidad del desarrollo de materiales de construcción alternativos y compatibles con la
protección del medio ambiente. Se evaluaron distintas combinaciones de árido fino
siderúrgico y natural, determinando solo emplear 20% de escoria como sustituto de la
arena. Basado en el método de Vitervo O´Reilly, se eligieron tres dosificaciones de
hormigón estructural con diferentes proporciones entre áridos finos y gruesos, las
cuales obtuvieron en el análisis a compresión resultados de: 27.8 MPa; 25.5 MPa y 28.3
MPa a los 28 días, demostrando el buen comportamiento de este desecho como
material de construcción.
Abstract The present investigation has as objective to study the mechanical physical
characteristics and the possibilities of using the steel residual, taken place during the
production of the steel, in the plant (ACINOX) of the county of The Tunas, as
construction material, in conventional fine substitution of the arid one to manufacture
structural concretes of a resistance of 20.0 MPa. Responding to the necessity of the
development of alternative and compatible construction materials with the protection of
the environment. Different combinations were evaluated of arid fine steel and natural,
determining alone to use 20 scum percentage like substitute of the sand. Based on the
method of Vitervo O´Reilly, three dosages of structural concrete were chosen with
different proportions among arid fine and thick, which obtained in the analysis to
compression of: 27.8 MPa; 25.5 MPa and 28.3 MPa to the 28 days, demonstrating the
good behavior of this waste as construction material.
Índice
Índice Pág. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
CAPITULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS – METODOLÓGICOS. ................................................ 7 1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 7 1.2 ANTECEDENTES DE ESTUDIOS DE ESCORIAS SIDERÚRGICAS COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN. ....................... 7 1.3 EXPERIENCIAS DEL USO DE LA ESCORIA COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN. ............................................. 10 1.4 ESCORIAS METALÚRGICAS. ............................................................................................................. 12
1.4.1 Escoria de Horno Alto. ............................................................................................................... 13 1.4.1.1 Escoria Cristalizada. ............................................................................................................ 13 1.4.1.2 Escoria Granulada............................................................................................................... 14 1.4.1.3 Escoria Peletizada. .............................................................................................................. 14 1.4.1.4 Escoria Expandida. .............................................................................................................. 15
1.4.2 Escoria de Acería LD (Procedimiento Linz-Donawitz). ............................................................... 15 1.4.3 Escoria de Acería de Horno de Arco Eléctrico. .......................................................................... 16
1.4.3.1 Escorias Negras................................................................................................................... 17 1.4.3.2 Escorias Blancas. ................................................................................................................. 18
1.4.4 Otras Escorias: Escorias del Tratamiento del Cobre. ................................................................. 19 1.5 UTILIZACIÓN DE ESCORIAS NEGRAS DE ARCO ELÉCTRICO COMO ÁRIDO PARA HORMIGÓN. .............................. 19 1.6 MÉTODOS PARA COMBINAR ÁRIDOS. ............................................................................................... 20
1.6.1 Métodos experimentales. ......................................................................................................... 21 1.6.2 Métodos Analíticos. ................................................................................................................... 22 1.6.3 Métodos Gráficos. ..................................................................................................................... 23
1.6.3.1 Método del Nomograma o del Rectángulo. ....................................................................... 23 1.6.3.2 Método de Rothfuchs......................................................................................................... 24 1.6.3.3 Método del prisma. ............................................................................................................ 26
1.7 MÉTODO PARA DOSIFICAR MEZCLAS DE HORMIGÓN VITERVO O´REILLY. ................................................... 27 1.7.1 Método para Diseño de Mezclas de Hormigón Basado en la Determinación Correcta de las Características de los Áridos. ........................................................................................................ 27
CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO I. ........................................................................................................... 32
CAPITULO II: CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES Y DISEÑO DE DOSIFICACIONES. ........... 33 2.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 33 2.2 CARACTERÍSTICAS DE LA ESCORIA PROCEDENTE DE LA FÁBRICA ACINOX DE LAS TUNAS. .................................. 33
2.2.1 Composición química y mineralógica. ....................................................................................... 33 2.2.2 Análisis lixiviación, eco toxicidad y concentración de metales pesados. .................................. 34 2.2.3 Estabilidad de volumen. ............................................................................................................ 36
2.3 TOMA DE MUESTRAS. ................................................................................................................... 36 2.4 ENSAYOS REALIZADOS A LA ESCORIA NEGRA DE ARCO ELÉCTRICO. ............................................................ 37
2.4.1 Análisis granulométrico ............................................................................................................. 37 2.4.2 Determinación del contenido de partículas de arcilla. .............................................................. 40 2.3.3 Cálculo del módulo de finura. .................................................................................................... 41 2.4.4 Determinación del material más fino que el tamiz de 0,074 mm (No. 200) ............................. 41 2.4.5 Determinación del peso volumétrico. ....................................................................................... 43
Índice
2.4.6 Pesos específicos y absorción de agua. ..................................................................................... 44 2.4.7 Determinación del porciento de huecos ................................................................................... 45
2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁRIDOS NATURALES EMPLEADOS. ................................................................... 45 2.5.1 Composición química ................................................................................................................. 46 2.5.2 Ensayos realizados al árido fino. ................................................................................................ 46
2.6 ENSAYOS REALIZADOS AL ÁRIDO GRUESO. ......................................................................................... 48 2.6.1 Pesos específicos y absorción de agua. ..................................................................................... 48 2.6.2 Análisis granulométrico. ............................................................................................................ 48 2.6.3 Determinación de partículas de arcilla. ..................................................................................... 49 2.6.4 Determinación del material más fino que el tamiz de 0,074 mm (No. 200) ............................. 50 2.6.5 Determinación del peso volumétrico. ...................................................................................... 50 2.6.6 Determinación del porciento de huecos. .................................................................................. 50 2.6.7 Índice de Triturabilidad. ............................................................................................................. 50
2.7 ENSAYOS REALIZADOS AL CEMENTO P-350 DE LA FÁBRICA CARLOS MARX DE CIENFUEGOS. .......................... 50 2.7.1 Ensayos químicos. ...................................................................................................................... 50 2.7.2 Ensayos físicos. .......................................................................................................................... 51 2.7.3 Consistencia normal. ................................................................................................................. 51 2.7.4 Tiempo de fraguado inicial y final. ............................................................................................. 53 2.7.5 Estabilidad de volumen por Le Chatelier ................................................................................... 54 2.7.6 Densidad .................................................................................................................................... 55 2.7.7 Ensayos mecánicos .................................................................................................................... 56
2.8 COMBINACIÓN DE ÁRIDOS MEDIANTE EL MÉTODO DEL RECTÁNGULO. ...................................................... 57 2.9 DISEÑO DE LAS DOSIFICACIONES DE HORMIGÓN MEDIANTE EL MÉTODO O´REILLY........................................ 60
2.9.1 Dosificaciones gravimétricas. .................................................................................................... 64 2.10 ELABORACIÓN DE LA MUESTRA PARA EL DISEÑO DE HORMIGONES DE 20.0 MPA Y DETERMINACIÓN DEL
ASENTAMIENTO POR EL CONO DE ABRAMS. ............................................................................................. 64 2.11 ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS PARA ENSAYOS. .............................................................................. 66 2.12 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN AXIAL. ............................................................................ 66 CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPÍTULO ............................................................................................... 68 CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................................................. 70
RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 71
REFERENCIAS BIBLOGRÁFICAS ............................................................................................... 72
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 74
ANEXOS ................................................................................................................................ 79
Introducción
1
INTRODUCCIÓN
Es conocido a nivel mundial que la actividad constructiva constituye una de las ramas
de la economía más consumidora de recursos naturales, siendo los áridos uno de los
más utilizados. Estos son catalogados como no renovables y su demanda supera los
volúmenes extraídos, surgiendo entonces la necesidad de cambiar los patrones de
producción y consumo vigentes hasta este momento, por lo que muchos investigadores
se han dado a la tarea de buscar materiales alternativos, no solo en la naturaleza sino
en los propios residuos obtenidos en la producción industrial.
Dentro de los residuos generados a nivel industrial se encuentran las escorias
metalúrgicas, las que clasifican como residuos sólidos. En esta investigación se
realizará un análisis de las escorias siderúrgicas resultantes del proceso de producción
del acero en la fábrica ACINOX de las Tunas, y a partir de los resultados obtenidos
utilizar este material como árido fino en dosificaciones de hormigón hidráulico, que sea
sostenible y estructural, con las mismas prestaciones en estado fresco y endurecido
que los hormigones tradicionales, existiendo la posibilidad de fabricar hormigón pesado.
El uso de escoria siderúrgica en lugar de piedras naturales, no sólo ahorra la energía
que puede ser necesaria para extraer áridos naturales, sino que también elimina los
impactos negativos asociados con la minería, tales como efectos sobre la biodiversidad
o el paisaje.
Numerosas han sido las investigaciones realizadas a este material. A nivel internacional
lo constituye el estudio realizado en España por L. Amaral (1999) referente a las
propiedades, durabilidad y comportamiento ambiental de las escorias de horno eléctrico
como material sustituto del árido en hormigones, mientras que a nivel nacional se
puede citar la investigación desarrollada por M. Marrero (2011) en el Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, referente al empleo de las escorias de acería de
la empresa metalúrgica antillana de acero José Martí de La Habana para su empleo
Introducción
2
como árido para fabricar morteros. En la Universidad de Holguín sobre la aplicación de
las escorias de acería de la planta ACINOX, como sustituyente de árido fino en mezclas
de mortero.
Las diversas investigaciones realizadas a las escorias metalúrgicas han demostrado
que este residuo industrial presenta propiedades de alto valor, convirtiéndole en un
material alternativo como materia prima utilizada en la construcción.
No obstante a pesar de los resultados favorables de los estudios realizados, no existe
hasta la fecha ningún competidor en Holguín que haya valorado el árido procedente de
las escorias negras en la fabricación de hormigón estructural.
Situación problémica:
La planta de aceros inoxidables ACINOX ubicada en la provincia de Las Tunas genera
aproximadamente 10 000 toneladas de escorias al año. Estas se vierten diariamente en
lugares de depósito a la intemperie, ocupando grandes áreas, creando gastos
considerables por concepto de transporte y almacenamiento. Si a estos residuos
sólidos se le diera una utilización como material de la construcción alternativo, podría
disminuir el consumo de áridos naturales que demandan los planes de producción de la
provincia y a la vez contribuye a mitigar el impacto negativo que ejerce este desecho al
medio ambiente.
Problema:
El problema de investigación se basa en que la acumulación excesiva y descontrolada
a la intemperie de la escoria negra procedente de la fábrica ACINOX de Las Tunas, ha
provocado severos daños al medio ambiente.
Objeto de la investigación: Escorias siderúrgicas generadas en la fábrica ACINOX de
Las Tunas.
Campo de acción: Hormigones hidráulicos estructurales.
Introducción
3
Objetivo general:
Presentar una propuesta para el uso de escorias siderúrgicas generadas en la fábrica
ACINOX de Las Tunas, como sustituto de árido fino en dosificaciones de hormigones
hidráulicos de 20.0 MPa.
Objetivos específicos:
- Determinar antecedentes históricos de estudios realizados para la utilización de
escorias siderúrgicas como agregados en hormigones hidráulicos estructurales.
- Sistematizar fundamentos teóricos y metodológicos que sustentan la utilización
de escorias siderúrgicas como agregados finos en hormigones hidráulicos
estructurales.
- Determinar y analizar las características de las escorias siderúrgicas generadas
en la fábrica ACINOX de Las Tunas, para su utilización como agregado de árido
fino en hormigones hidráulicos de 20.0 MPa.
- Mostrar una propuesta para el uso de escorias siderúrgicas generadas en la
fábrica ACINOX de Las Tunas, como sustituto de árido fino en dosificaciones de
hormigones hidráulicos de 20.0 MPa.
Hipótesis:
Si se caracteriza la escoria de ACINOX las Tunas desde el punto de vista químico y
físico, se podrían elaborar propuestas de dosificaciones para la elaboración de
hormigones de 20.0 MPa.
Preguntas Científicas:
1. ¿Cuáles son los antecedentes históricos de los estudios realizados a las escorias
de acería como material de construcción?
Introducción
4
2. ¿Cuáles son los fundamentos teóricos- metodológicos específicos y
procedimientos que sustentan la aplicación de las escorias como agregados finos
a los hormigones de 20.0 MPa?
3. ¿Cuáles son las características físico-mecánicas de las escorias siderúrgicas de
la fábrica ACINOX de Las Tunas que permitan su uso como agregados finos a
los hormigones de 20.0 MPa?
4. ¿Cuáles son las ventajas técnicas – económicas reales para la aplicaciónde
escorias siderúrgicas como sustituto de árido fino en dosificaciones de
hormigones hidráulicos de 20.0 MPa?
Tareas de la investigación:
1. Determinación de los antecedentes históricos los estudios realizados a las
escorias de acería como material de construcción.
2. Sistematización de los aspectos teóricos, especificaciones y procedimientos que
sustentan la aplicación de las escorias como agregados finos a los hormigones
de 20.0 MPa.
3. Evaluación de las escorias siderúrgicas de la fábrica ACINOX de Las Tunas para
valorar la viabilidad de su uso como árido fino en hormigones de 20.0 MPa.
4. Presentación de una propuesta para el uso de escorias siderúrgicas generadas
en la fábrica ACINOX de Las Tunas, como sustituto de árido fino en
dosificaciones de hormigones hidráulicos de 20.0 MPa.
Métodos de investigación
Teóricos
Histórico – lógico: para determinar las tendencias históricas en cuanto a desarrollo y
utilización las escorias siderúrgicas como material de construcción.
Introducción
5
Inducción-deducción: Para determinar las cuestiones referentes al problema de
investigación y llegar a conclusiones.
Análisis –síntesis: para analizar las fuentes bibliográficas que aborden el tema de las
escorias de acería, valorar los problemas y lograr encontrar la variante más factible
para sintetizar la solución del mismo. Para analizar datos obtenidos durante el proceso
experimentación.
Empíricos
Análisis documental: Para el estudio de normas, documentos y procedimientos
referentes a las escorias de acerías, métodos para combinar áridos y dosificar
hormigones.
Experimento: Para determinar las características y utilidades de las escorias
siderúrgicas de la fábrica de Las Tunas, la combinación correcta entre la arena de
escoria y la natural y la dosificación correcta del hormigón con escoria para que cumpla
con las exigencias normativas.
Aporte de la investigación:
Propuesta para el uso de escorias siderúrgicas generadas en la fábrica ACINOX de Las
Tunas, como sustituto de árido fino en hormigones hidráulicos de 20.0 MPa.
Novedad científica:
Aplicación de forma experimental de las escorias siderúrgicas como áridos en la
industria de la construcción en Holguín y así promover su reciclaje y darle valor
agregado a este subproducto.
Actualidad del tema de investigación:
Esta investigación responde a la necesidad de desarrollo de materiales de construcción
alternativos y compatibles con la protección del medio ambiente. A su vez está acorde
con el lineamiento 233 del VI Congreso del Partido, 2011 que plantea: “Recuperar e
incrementar la producción de materiales para la construcción que aseguren los
programas inversionistas priorizados del país (turismo, viviendas, industriales, entre
Introducción
6
otros), la expansión de las exportaciones y la venta a la población. Desarrollar
producciones con mayor valor agregado y calidad. Lograr incrementos significativos en
los niveles y diversidad de las producciones locales de materiales de construcción y
divulgar sus normas de empleo”
Estructura del informe de la investigación: La presente investigación se estructura
en dos capítulos:
Capítulo 1. Marco teórico-conceptual de las escorias: se exponen los antecedentes
de las escorias, sus propiedades generales y composición química. Se hace referencia
a las experiencias internacionales de su utilización como material de construcción en
varios estudios de casos.
Capítulo 2. Ensayos fisicoquímicos (diseño del experimento): se describen las
especificaciones que deben cumplir estos agregados artificiales para ser utilizados
como material de construcción en hormigones estructurales y se implementan los
ensayos de laboratorio correspondientes, para determinar sus características físico-
mecánicas. Se realizan análisis de los resultados de laboratorio para hormigones con
escoria, además de hacer una valoración de la escoria como árido en sí. Se proponen
su empleo en obras de ingeniería civil de acuerdo a las propiedades físico-mecánicas y
se valora su racionalidad en términos de ahorro.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
7
CAPITULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS – METODOLÓGICOS.
1.1 INTRODUCCIÓN
El presente capítulo tiene como objetivo general investigar el estado del arte referente
al estudio y utilización de escorias siderúrgicas como material alternativo en la
construcción, haciendo énfasis en su empleo como agregado en hormigones
estructurales, mediante la consulta de bibliografías, normas y documentos existentes
que sustenten su uso en este campo.
1.2 ANTECEDENTES DE ESTUDIOS DE ESCORIAS SIDERÚRGICAS COMO MATERIAL DE
CONSTRUCCIÓN.
El desarrollo sostenible de la economía mundial, fuertemente industrializada ha traído a
un notable incremento de los residuos de producción. Este fenómeno se debe en gran
parte a la especialización de los distintos sectores industriales. Con el objetivo de
salvaguardar el medio ambiente, se han promovido políticas para fomentar la aparición
de nuevas zonas de mercado dedicadas al suministro de servicios como la recolección
y el tratamiento de los residuos de los procesos de producción.
Las primeras experiencias de estudios realizados a las escorias de acería y su
utilización aparecen en “La conferencia internacional sobre el uso de subproductos y
desechos en la ingeniería civil” realizado en París en 1978 por la Escuela Nacional y el
Laboratorio Central de Puentes y Carreteras, así como: “El uso de materiales de
desecho en la industria de la construcción”, realizado por la RILEM Publicaciones en
1979. (Amaral, 1999).
También menciones de su utilización aparecen en: Uso de escorias oxidantes de horno
básico de arco para producción de hormigón (Srinivas, 1987), Tipificación de escorias
producidas por la siderurgia de horno eléctrico, como material utilizable en la
construcción (Luxán, 1995), Estudio del potencial de utilización de escoria de horno
eléctrico como árido en hormigón. (Bäverman y Aran, 1996). Utilización de escorias de
acería como sustitución al cemento portland (Geyer, 1997). Hormigones con escoria de
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
8
horno eléctrico como áridos (Amaral, 1999). Análisis de la influencia de residuos
metalúrgicos como áridos en las propiedades del hormigón (Berridi, 2008)
En sentido general el objetivo fundamental de estas investigaciones ha sido para
explorar las posibilidades de utilizar la escoria de la fabricación de acero como árido
para hormigón.
Los resultados obtenidos de estos experimentos concluyen que la escoria oxidante no
presenta expansión, pero la escoria reductora es expansiva debido a la hidratación de
CaO libre. Además se demuestran que grandes cantidades de FeO no afectan
adversamente la resistencia del hormigón.
Puede considerarse que el hormigón con arena de escoria presenta resistencias
comparables con el hormigón convencional, ya que la resistencia obtenida en el
hormigón con escoria ha sido superior. La naturaleza física de la escoria puede
contribuir al desarrollo de una mejor interface. (Srinivas, 1987)
Al determinar la reactividad puzolánica de estas escorias, se llega a la conclusión de
que no poseen este tipo de reactividad. Mediante espectroscopia de absorción infrarroja
se comprueba la existencia de reacción hidráulica. Con estos resultados se realiza un
estudio sobre el comportamiento de la escoria como adición, determinando el tiempo de
fraguado, la estabilidad volumétrica, índice de actividad resistente, resistencia mecánica
y la retracción en morteros. Demostrando que estas escorias no presentan ninguna
reacción perjudicial en todos los análisis y ensayos efectuados, pudiendo utilizarlas
como: Áridos en bases y sub-bases, áridos en mezclas asfálticas, adición en mezclas
con cemento portland para la fabricación de hormigón (Luxán, 1995).
De la escoria proveniente de Fundia Steel AB (Suecia), se observa que el hormigón con
escoria es más frágil, de densidad más elevada y la resistencia a compresión y
flexotracción es similar a la del hormigón de referencia. Los ensayos de lixiviación en
las muestras con granulometría menor que 0,16 mm demostraron que la del cromo ha
sido la única que se ha diferenciado significativamente de la del hormigón normal. La
concentración del cromo a pH natural de la escoria, está en el mismo rango del máximo
permitido en Suecia para las aguas potables, definiendo que pueden ser utilizadas para
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
9
sustituir arena en hormigón y que en lo que se pudo observar, no existe riesgo
ambiental asociado con su utilización.(Bäverman y Aran, 1996)
También en el ensayo de expansión por agujas de Le Chatelier donde se sustituye 35%
de cemento por escoria, el resultado es de expansión nula en el material, donde el
índice de actividad puzolánica obtenido, utilizando escoria pasante por el tamiz 0,074
mm es de un 70 %. La carbonatación en hormigón con sustitución de un 5% de
cemento por escoria, disminuye en relación con el hormigón convencional, cuando se
utiliza una granulometría < 0,074 mm, lo que puede mejorar la durabilidad de
estructuras fabricadas con este material. (Geyer, 1997)
Las escorias de acería como árido es un material muy denso, pudiendo ser clasificada
como un árido pesado, posee baja capacidad de absorción y alta porosidad y tiene
elevada resistencia al desgaste mecánico. En cuanto al contenido de sustancias
nocivas al hormigón, las escorias no presentan cantidades superiores a los límites de
las normativas europeas, ni potencial reactivo, pudiendo ser utilizadas como áridos para
hormigón armado, estos presentan una densidad mayor debido a la elevada densidad
de los áridos de escoria pero no llegan a ser clasificados como hormigones
pesados.(Amaral, 1999)
En Cuba se han realizado algunos estudios de la utilización de las escorias siderúrgicas
como material de la construcción tales como: Caracterización de las escorias de acería
de la empresa metalúrgica antillana de acero José Martí de La Habana para su empleo
como árido y adición de morteros, hormigones y productos de la construcción. (Díaz,
2000), Empleo de la escoria de acería como árido para fabricar morteros. (Marrero,
2011). En los cuales se analizan los residuos metalúrgicos con el objetivo de proponer
su uso en la industria de materiales de la construcción el cual consistió en, caracterizar
el árido fino y el árido grueso de escoria de acería, y evaluar su utilización como
adición al cemento en la elaboración de morteros; desarrollándose los ensayos de
análisis granulométrico, módulo de finura, peso específico, peso saturado sin humedad
superficial y peso aparente, por ciento de absorción de agua y peso unitario suelto y
compactado, según lo establecido en la normativa cubana, y los ensayos de fluidez,
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
10
densidad saturada sin humedad superficial, velocidad ultrasonido, resistencia a
flexotracción, resistencia a compresión y por ciento de absorción, según la normativa
americana (ASTM C311).
Como resultado del estudio se obtuvo que: la arena de escoria presenta una
granulometría discontinua, elevado por ciento de huecos, altos pesos específicos y
unitarios, bajo por ciento de absorción de agua e impurezas y es mucho más gruesa
que la arenas convencionales; el árido grueso de escoria presenta una granulometría
continua, un tamaño máximo de árido de 25,4 mm, elevado por ciento de huecos, altos
pesos específicos y unitarios, y bajo por ciento de absorción de agua e impurezas; y el
filler de escoria presenta una granulometría discontinua y contiene mucho fino, ya que
más del 50% del material tamizado es más fino que el tamiz # 200, siendo esto
favorable porque se puede usar como adición al cemento. Se demuestra además que la
escoria de acería de horno de arco eléctrico de la metalúrgica antillana de acero hasta
los 28 días no presenta actividad puzolánica, por lo que es de vital importancia conocer
los resultados de estos morteros a las edades de 63 y 91 días para evaluar su posible
empleo como adición, las propiedades mecánicas evaluadas en el mortero con áridos
de escoria fueron superiores en más 60 % con relación al mortero de referencia.
En la universidad Oscar Lucero Moya de Holguín al realizarse un evaluación de la
escoria de la Planta ACINOX de las Tunas, como sustituyente del cemento en una
mezcla mortero (Nieves, 2013), se efectúa una comparación a través de ensayos de
laboratorio, entre el comportamiento de un mortero convencional y un mortero con
escoria de acería en sustitución del cemento Portland, demostrando que la resistencia a
compresión del mortero disminuye, sin embargo los resultados alcanzados superan los
valores establecidos en la normativa cubana, lo que valida la posibilidad del empleo de
la escoria como componente en mezclas de morteros.
1.3 EXPERIENCIAS DEL USO DE LA ESCORIA COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.
Se conoce internacionalmente que el uso de la escoria en obras civiles es una práctica
antigua, está incluida en las especificaciones de construcción vial de varios países, para
su manejo se pueden emplear los equipos de construcción convencionales.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
11
En el Reino Unido se ha utilizado las escorias siderúrgicas en capas bases y
pavimentos asfálticos en las calles del norte de Londres y áreas alrededor de Coventry
y Birmingham durante más de 50 años.
En Estados Unidos la experiencia supera los cuarenta años, cabe citar que debido a los
buenos resultados con el uso del agregado, las autoridades aeronáuticas, hace varios
años autorizaron la utilización de 750,000 toneladas de escoria de acería para la base
de la pista de aterrizaje del aeropuerto internacional de Pittsburg, el que ha cumplido su
función desde entonces.
Los países de Latinoamérica no se quedan atrás en la utilización de las escorias, por
ejemplo, en Brasil se realizaron trabajos de pavimentación en la Br381 una de las
carreteras más transitadas del país y en la nueva ciudad de Mogidas Cruces, Sao
Paulo, las cuales se acometieron enteramente con escoria de acería, logrando
excelentes resultados. En el sur de Chile, carreteras que tienen que soportar el gran
peso por eje de camiones que sirven a la industria maderera, usan escoria en las
bases. Además del uso en mezclas asfálticas, la escoria se aplica extensamente como
riego de sello en obras de tratamiento superficial.
También la industria Siderúrgica de Guatemala S.A. (SIDEGUA), empresa que se
dedica al refinamiento de chatarra para producir acero, donde se generan 300
toneladas de escoria mensual, en conjunto con Multiserv empresa que procesa la
misma han impulsado su uso como agregado para proyectos de construcción, entre
estos: Estabilización de calles de la planta de Sidegua 2003. Estabilización de calle
principal del Ingenio Pantaleón, 2003. Estabilización de calle en Ingenio la Unión, 2004.
Estabilización de camino en Finca Venecia, Mazatenango, 2004. Construcción de la
base del camino de ingreso a la Comunidad El Astillero, Masagua Escuintla, 2004.
Además en el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de San Carlos,
se han hecho trabajos de investigación, con la escoria como puzolana artificial y
revestimientos elaborados a base de cementos mezclados con escoria de horno.
En Cuba La Empresa ACINOX de Las Tunas casi desde su fundación en 1991
comenzaron a utilizar la escoria como solución a muchos de sus problemas internos,
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
12
utilizándola como extensor del cemento. A partir del año 2006 se promovieron vínculos
con otras empresas que se mostraron interesadas en la utilización de dicho residuo, y
en el 2010, basados en investigaciones y ensayos internos de la fábrica, fue utilizada
una parte de las escorias generadas en:
La realización de 5 000 bloques de hormigón en coordinación con el CAI
Majibacoa y con la Empresa de Materiales de la Construcción.
Construcción de más de 3000 m2 de aceras en el reparto médico del municipio.
La realización de las Parrilladas del Cornito.
La construcción de pisos internos y muros delimitadores en el interior de la
acería.
Cimentación de cerca en varias instalaciones de la empresa.
1.4 ESCORIAS METALÚRGICAS.
Las escorias son un subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales,
se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden
contener sulfuros y átomos de metal en forma de elemento. Aunque la escoria suele
utilizarse como un mecanismo de eliminación de residuos en la fundición del metal,
también pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de la
temperatura durante la fundición y minimizar la reoxidación del metal líquido final, antes
de pasar al molde. (Enciclopedia; 2013).Estas pueden ser resultantes de un amplio
abanico de procedencias como de: la metalurgia del hierro, acero, níquel, manganeso,
cromo y del cobre, etc. Los diversos tipos de escorias tienen funciones metalúrgicas
semejantes pero varían extensamente en sus propiedades físicas y químicas. Las más
utilizadas en el campo de la construcción son las de la fabricación del hierro y del acero.
(Amaral, 1999) Estas últimas se pueden clasificar según su procedencia o forma de
enfriamiento.
Las de fabricación de hierro provienen de horno alto y las de acero pueden ser de horno
Siemens-Martin, horno eléctrico u horno de oxígeno. Según la forma de enfriamiento,
las de horno alto suelen clasificarse como: cristalizadas, expandidas granuladas o
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
13
peletizadas. Las escorias de acería en general son enfriadas al aire aunque las de
horno eléctrico se clasifican por la etapa en la que se generan, en la primera fase,
negra (oxidante) y en la segunda, escoria blanca (reductora).
1.4.1 Escoria de Horno Alto.
El horno alto es la instalación base para la obtención de arrabio, el cual, a su vez
constituye la materia prima para la fabricación de acero. Este es un horno de cuba en el
que se introduce un gas reductor a presión (generalmente CO) por la parte inferior, y
una carga de materia constituida por minerales de hierro, coque y caliza como fuente
adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente por la parte superior,
separándose dos productos: el hierro y las impurezas con los fundentes (escoria
primaria), que van evolucionando en su composición hasta llegar a la parte baja del
horno (crisol), formándose los dos productos finales: arrabio y escoria (Fig. 1 Anexo 1).
La escoria sale por la piquera del alto horno a una temperatura cercana a 1500ºC.
Dependiendo del tipo de enfriamiento que va a tener la escoria que sale horno, se van a
obtener materiales con características de utilización claramente diferenciadas: escoria
cristalizada, escoria granulada, escoria peletizada o escoria expandida. (Composición
química de las escorias de Alto Horno tabla 1.4.1 Anexo 2).
1.4.1.1 Escoria Cristalizada.
Se obtiene por enfriamiento lento de la escoria líquida en grandes fosos. La materia
cristaliza formando distintos componentes quedando únicamente una pequeña parte de
ella en estado vítreo. Una vez enfriada, la escoria se transporta mediante camiones a la
planta de trituración y cribado para su preparación en las granulometrías adecuadas. Es
un material pétreo de textura rugosa con características similares a las rocas ígneas de
origen volcánico, están constituidas en un 95% por los siguientes óxidos: cal, sílice,
alúmina y magnesia.
La principal característica a tener en cuenta para su uso es la denominada
inestabilidad debida al disilicato de calcio y la inestabilidad debida a la reacción de los
compuestos de hierro. Tiene una gran estabilidad mecánica, facilidad de compactación
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
14
y excelente comportamiento drenante, la que se puede utilizar como árido artificial en la
construcción de carreteras. La principal ventaja de estas, se deriva de la gran cantidad
de poros internos que poseen, que les confieren una gran permeabilidad, por lo que es
un material muy adecuado para la construcción de capas granulares de sub-base o
drenantes, se puede utilizar como árido tanto para la fabricación de hormigones como
de morteros.
1.4.1.2 Escoria Granulada.
La escoria granulada se obtiene por enfriamiento brusco de la escoria líquida, dejándola
caer sobre un potente chorro de agua fría, de forma que expanda y sirviendo el propio
chorro como vehículo de transporte hasta las balsas de decantación. Este proceso se
denomina granulación, porque la escoria se descompone en pequeñas partículas más o
menos alveolares con aristas cortantes, obteniéndose un producto similar a una arena.
La granulación vitrifica la escoria, convirtiéndola en un sólido cuyas moléculas no han
tenido tiempo de orientarse al estado cristalino por la rapidez del enfriamiento. La
composición química de la escoria granulada es idéntica a la de la escoria cristalizada y
se presenta como una arena 0/6 mm.
Su empleo principal es en la industria del cemento, primeramente se debe secar y
posteriormente moler hasta obtener una finura similar a la del cemento Portland. Puede
ser utilizada como árido fino en bases y sub- bases de carreteras (Amaral 1999). No
están permitidas como adición para al hormigón según EHE, aunque existen una serie
de normas UNE experimentales sobre recomendaciones a uso en fabricación de
hormigones y morteros fabricados con cementos portland tipo I (sin adiciones). (Méndez
2011)
1.4.1.3 Escoria Peletizada.
Se obtiene dejando caer la escoria fundida sobre un tambor giratorio regado con agua,
que lanza la escoria al aire, formando una pila al caer al suelo. Mediante los ajustes en
los equipos de peletización (velocidad del tambor, relación agua/escoria, etc.) es
posible controlar las proporciones producidas de los tamaños de partículas, así como su
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
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grado de vitrificación. A diferencia de la escoria cristalizada y expandida, esta tiene una
forma redondeada y textura lisa, siendo su porosidad y capacidad de absorción de agua
mucho más baja. El tamaño de los granos puede estar comprendido entre 13 y 0,1 mm,
siendo más habituales los valores comprendidos entre 9,5 mm y 1 mm, la densidad de
conjunto del material es aproximadamente 0,85 t/m 3.
1.4.1.4 Escoria Expandida.
Se obtiene añadiendo a la escoria fundida una pequeña cantidad de agua. El vapor
producido por el contacto del agua con la escoria, produce una espuma plástica que,
una vez enfriada y tras un proceso de machaqueo, proporciona un árido ligero de
estructura celular, los granos machacados, son angulares, sensiblemente cúbicos, más
rugosos y porosos, y menos densos que los de la escoria cristalizada. La densidad de
conjunto de este tipo de escoria es aproximadamente el 70% de la densidad de las
escorias cristalizadas, tomando valores comprendidos entre 0,80-1,04 t/m 3.
Se utiliza como árido en estructuras y bloques de hormigón ligero. Los bloques de
hormigón con escorias expandidas poseen una alta calidad en cuanto a resistencia y
durabilidad, siendo resistentes principalmente al fuego. (USS and AISE, 1985) (Amaral
1999).
1.4.2 Escoria de Acería LD (Procedimiento Linz-Donawitz).
Las escorias de acería LD se originan en el proceso de afinado del arrabio mediante el
procedimiento Linz-Donawitz (LD) para la transformación de la fundición de hierro
procedente del horno alto en acero, el afino se lleva a cabo inyectando oxígeno a
presión en el baño que contiene las materias primas y las adiciones para la formación
de escoria (fundamentalmente cal, dolomía y espato). El oxígeno, se insufla mediante
una lanza refrigerada hasta conseguir eliminar del arrabio el exceso de carbono por
oxidación, en forma de gas (CO y CO2) y el resto de impurezas en forma de escoria
semipastosa que sobrenada por encima del acero, lo que permite separarla de este y
enviarla a un foso donde se riega hasta alcanzar temperaturas inferiores a 50ºC. La
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
16
escoria tiene, por tanto, como misión fundamental atrapar las impurezas, principalmente
fósforo y azufre.
Es un material de tipo granular, de color gris claro en estado seco que tiene una cierta
porosidad y textura rugosa. Las partículas tienen forma cúbica, con escasa presencia
de lajas, además se caracteriza por ser un árido muy limpio, pesado, anguloso, poco
pulimentable y de gran dureza. Tiene una composición química muy diferente de la de
las escorias de alto horno; en particular, contiene menos alúmina y sílice y más cal, una
parte de ella en forma libre; contiene una importante proporción de óxidos de hierro. El
contenido en CaO está comprendido entre el 45 y 50%, esto hace que las escorias
presenten alta higroscopicidad, lo que favorece la hidratación de la cal y su posterior
expansión. (Composición química media de las escorias LD tabla 1.4.2 Anexo 2)
Sus principales aplicaciones son en agricultura y en obra civil como árido de calidad. El
escombro de acería LD se utiliza en la construcción de rellenos y terraplenes, en la
técnica de carreteras se utilizan como áridos para bases y sub-bases granulares,
mezclas bituminosas y lechadas o tratamiento superficiales. El proceso de dosificación
en laboratorios de las mezclas bituminosas con escorias, así como su fabricación y
puesta en obra, es análogo al de las mezclas convencionales.
1.4.3 Escoria de Acería de Horno de Arco Eléctrico.
El proceso de fabricación del acero en las acerías de horno de arco eléctrico (Fig. 2
Anexo 1) se compone de dos etapas: una primera denominada metalurgia primaria o
fusión, donde se produce la fusión de las materias primas en los hornos de arco
eléctrico, incluye una serie de fases como la oxidación, dirigida a eliminar impurezas de
manganeso y silicio, la defosforación y la formación de escoria espumante en la que se
acumulan todas las impurezas, al final de todas estas fases se extraen las escorias
negras. La segunda, denominada metalurgia secundaria o afino del baño fundido, que
se inicia en el horno eléctrico. La etapa de afino incluye la desoxidación, que permite
eliminar los óxidos metálicos del baño, la desulfuración y la descarburación del acero.
El líquido fundido procedente del horno eléctrico se alimenta al horno-cuchara, se cubre
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
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con una escoria que se denomina escoria blanca y se agita continuamente con el
soplado de gas inerte, normalmente argón. Permite la reducción de los óxidos metálicos
presentes en el baño, durante la denominada fase de desoxidación, paralelamente se
realiza la desulfuración del líquido fundido, que se produce por simple contacto con la
cal existente en la escoria blanca.
La principal materia prima empleada para la fabricación de acero en horno de arco
eléctrico es la chatarra de hierro dulce o acero. Como elementos auxiliares se pueden
cargar también pequeñas cantidades de fundición, de mineral de hierro y de
ferroaleaciones.
1.4.3.1 Escorias Negras.
Mediante el proceso de fusión en el horno de arco eléctrico se obtiene acero líquido y
nadando sobre su superficie escoria negra, que se extrae por una de las puertas del
horno, su composición química está condicionada por el tipo de chatarra utilizada, el
control de las variables de operación, etc. (Tabla 1.4.3.1 Componentes de las escorias
negras Anexo 2)
Los áridos procedentes de las escorias negras de acerías de hornos de arco eléctrico
tienen una elevada densidad relativa, muy por encima de la de los áridos naturales,
esta diferencia hay que tenerla en cuenta en las dosificaciones y al considerar los
costes de transporte.
Debido a la presencia de óxidos de cal y magnesio libre en su composición tienen
naturaleza expansiva. La cal libre se hidrata rápidamente y puede originar grandes
cambios de volumen en pocas semanas, mientras que la hidratación del magnesio se
produce mucho más lentamente.
Los lixiviados de estas escorias pueden tener un pH superior a 11, y por tanto,
presentar problemas de corrosión en las tuberías de aluminio y acero que se coloquen
en contacto directo con ellas.
Las escorias negras adecuadamente tratadas cumplen generalmente con las
especificaciones técnicas que exigen los pliegos de carreteras para áridos de capas
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
18
granulares en coronación de explanadas, sub-bases y bases de carreteras, tienen
latente el riesgo de expansión y de hinchamiento, por lo que es muy importante evaluar
su potencial expansivo y limitar su uso cuando sobrepase los valores establecidos. No
deben utilizarse nunca en capas estabilizadas con cemento o junto a obra de fábrica u
otros elementos que restrinjan las posibles expansiones.
En España, se ha realizado como experiencia piloto, el reciclaje de las escorias negras
introduciéndolas en cementeras como aporte de hierro, silicio y cal al horno rotativo en
el proceso de fabricación del clínker. De forma experimental se ha estudiado la
posibilidad de utilizar este tipo de residuo como árido grueso o fino para hormigón, en
ambos casos, las escorias se deben triturar y tamizar, obteniendo una granulometría
similar a la de los áridos naturales. Además, se debe proceder a la estabilización y
envejecimiento de las escorias para evitar su expansión.
En los ensayos realizados, en los que se reemplazó la totalidad de la arena por
escorias negras de horno eléctrico, se obtuvieron hormigones de mayor densidad
(2.770 kg/m3), con una resistencia a compresión y carga de rotura similares a los de un
hormigón con arena natural y de mayor fragilidad.
1.4.3.2 Escorias Blancas.
Las escorias blancas, procedentes de la fase de afino, se caracterizan por su contenido
en metales pesados como cromo, zinc o plomo (inferior al 1%) y el reducido tamaño de
sus partículas presentan en su composición silicatos tricálcico y bicálcico, aluminoferrito
tetracálcico, aluminato tricálcico y ferrito dicálcico.
Los ensayos químicos realizados en España que establecen la composición de las
escorias blancas de acería. (Tabla 1.4.3.2 Anexo 2)
La única alternativa de valorización de las escorias blancas, confirmada por
experiencias realizadas a escala industrial, es su utilización en las fábricas de cemento
en sustitución de la marga. Para esta alternativa no es necesario un pretratamiento
previo, siempre y cuando se tenga la precaución de no incluir elementos extraños,
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
19
como trozos metálicos, y los tamaños de las partículas del material sean inferiores a
50mm.
1.4.4 Otras Escorias: Escorias del Tratamiento del Cobre.
La escoria obtenida en este proceso, es el silicato de hierro: este es un producto
granulado que se obtiene tras varios procesos en la metalurgia del cobre. Las
transformaciones de las materias primas dan como resultado la producción de silicatos,
en particular fayalita (SiO2) FeO, que es un silicato de hierro químicamente estable. El
producto se somete por el fabricante tanto a un control de producción en fábrica como a
posteriores pruebas sobre muestras tomadas de acuerdo a un plan preestablecido.
Posee una dureza: más de 660 Kg/mm2 (ensayo de dureza Vickers), una
granulometría: 0,4 - 2,8 mm y 0,2 - 1,5 mm, es un material inerte y vítreo que no
absorbe agua, tiene excelentes propiedades de drenaje, de color negro brillante y no es
conductor de electricidad. Se emplea en la construcción de carreteras, hormigones
pesados, fabricación de morteros para suelos industriales, fabricación de cemento etc.
1.5 UTILIZACIÓN DE ESCORIAS NEGRAS DE ARCO ELÉCTRICO COMO ÁRIDO PARA HORMIGÓN.
En el plano internacional se han desarrollado algunas recomendaciones para la
utilización de este tipo de áridos en hormigón estructural, tanto como árido grueso o
fino. En ambos casos según normas europeas y norteamericanas las escorias deben
presentar una granulometría similar a la de los áridos naturales. Además, se debe
proceder a la estabilización y envejecimiento de las escorias para evitar su expansión;
comprobar la ausencia de materia orgánica, pues son compuestos que alteran la
velocidad del fraguado y el endurecimiento del hormigón.
En Japón se especifica que el uso de las escorias es limitado, solo son utilizadas
aquellas procedentes de plantas con un certificado de calidad, en las que se realice un
procesamiento y control adecuado de las mismas. De acuerdo con estas
recomendaciones, se puede utilizar hasta un 100% de árido grueso de escorias, en
cuyo caso el porcentaje de árido fino de escorias se limita al 30% (relativo al volumen
total de árido fino). Si el árido grueso es natural, el porcentaje de árido fino de escorias
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
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puede ascender al 50%. Para proporciones mayores, se requiere la realización de
estudios específicos. Quedan excluidas las aplicaciones en hormigones de resistencia
superior a 60 N/mm2 y hormigones pretensados.
En el caso de utilizar exclusivamente árido fino de escorias en un porcentaje inferior al
30%, el comportamiento del hormigón se puede considerar similar al de un hormigón
convencional, para razones superiores de árido fino (inferior al 50%) o para la utilización
de áridos gruesos de acería, las recomendaciones establecen además, criterios
específicos para determinar el diagrama, tensión deformación, módulo de elasticidad,
coeficiente de expansión térmica, retracción y densidad, así como criterios de
dosificación para garantizar la durabilidad de este tipo de hormigones en diferentes
clases de exposición ambientales.
Debido al bajo contenido de sílice que presentan las escorias de acería, el riesgo de
que se presenten fenómenos de reacción álcali-árido es muy reducido. Según estas
recomendaciones, los hormigones con escorias de acería presentan además, un
comportamiento adecuado durante su puesta en obra, compactado y acabado.
A nivel nacional no existe una normativa que establezca los métodos y especificaciones
que regulen la combinación de las escorias siderúrgicas y el árido natural para la
utilización en hormigones. Algunas experiencias han sido como método experimental en
morteros, utilizando como referencia, las normas cubanas que rigen los métodos para
combinar áridos.
1.6 MÉTODOS PARA COMBINAR ÁRIDOS.
Los áridos tienen un amplio campo de aplicación en la construcción, pero sin lugar a
dudas su uso principal es en la fabricación de hormigones, los cuales deben satisfacer
determinados requerimientos técnicos, dados principalmente por las condiciones de
explotación, fabricación y puesta en obra.
En función de los objetivos que se persigan y de los medios y condiciones generales
con que se cuente en una situación dada, se pueden utilizar distintos métodos o
procedimientos para determinar la proporción en la que resultaría más conveniente
mezclar dos o más áridos o fracciones granulométricas. Se han estudiado y aplicado
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
21
métodos de carácter experimental, métodos analíticos basados en determinados
parámetros de los agregados involucrados en análisis y varios métodos gráficos que se
basan en la composición granulométrica de los áridos.
1.6.1 Métodos experimentales.
Los métodos experimentales se apoyan en resultados directos de los ensayos de
laboratorio, determinándose la propiedad o parámetro que se persigue y
seleccionándose la proporción que mejor comportamiento tenga. En oportunidades el
análisis es bastante complejo, pues no siempre la proporción más conveniente se
relaciona directamente con un valor característico (máximo, mínimo, promedio, etc.),
sino que deben hacerse interpretaciones del posible comportamiento del conjunto de
áridos, cuando se encuentre desempeñado sus funciones en el aglomerado o en
definitiva en el uso a que se destine. Dada la imposibilidad práctica de experimentar con
todas las posibles combinaciones de las materias primas disponibles, se debe realizar
un diseño de experimento donde mediante tanteo, se pueda llegar a seleccionar la
proporción más conveniente, con un error aceptable. Indudablemente que los métodos
más precisos son los experimentales, pues se basan en la práctica concreta, pero ellos
tienen el inconveniente de que resultan en general muy laboriosos y requieren de
mucho tiempo y recursos materiales para su realización.
Un ejemplo de aplicación de los procedimientos experimentales para la mezcla de
áridos es en el método de diseño de mezclas de hormigón del profesor Dr. Sc. Ing.
Viterbo A. O´Reilly Díaz. En dicho método, para la determinación de las proporciones
en que deben mezclar los áridos a utilizar en un hormigón dado, se toma como criterio
que el porcentaje de vacío y la superficie específica mínimos de una mezcla de áridos
es la que señala la composición óptima, la cual requerirá una cantidad mínima de
cemento. El método establece que para determinar el porcentaje de vacío mínimo, hay
que ensayar las mezclas de los áridos con las proporciones en peso de arena y gravilla
siguientes: (35:65, 60:40, 45:55 50:50 y 55:45). Tomando como base el peso específico
corriente y el peso unitario compactado de cada una de las mezclas, se determina
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
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entonces el porcentaje de vacío de cada una de ellas. Se elige como combinación
óptima la que tenga menor porcentaje de vacío.
1.6.2 Métodos Analíticos.
El método analítico más empleado para en el propósito que se expone aquí, es el que
toma como base el módulo de finura de las fracciones a considerar. Como se conoce, el
módulo de finura de un árido nos proporciona una idea sobre el tamaño promedio de las
partículas componentes del mismo, no así de su granulometría. Un factor de mucha
importancia en las mezclas donde se emplean los áridos es la superficie específica de
los mismos, ya que influye, entre otros aspectos, en la cantidad de agua necesaria para
lograr una cierta consistencia. En general, el incremento del contenido de agua en una
mezcla afecta seriamente sus propiedades, por lo que generalmente se trata de utilizar
el mínimo contenido posible, que posibilite adecuadamente las distintas operaciones a
realizar. Como se comprende, a medida que disminuye el módulo de finura de un árido,
mayor es su exigencia de agua, pues ya de por sí, tiene mayor área que mojar y que
lubricar. Es por eso que en ocasiones se establecen módulos de finura ideales para las
mezclas de áridos a utilizar en la fabricación de aglomerados, los cuales están
contemplados como especificaciones de las normas de muchos países.
Si tomamos como base el conocimiento del módulo de finura deseado, ya sea por la
especificación establecida por una norma o por recomendaciones empíricas, es posible
mediante un método analítico simple, calcular las proporciones en que han de
mezclarse dos áridos (que no poseen el MF deseado), para que la mezcla resultante
satisfaga el requerimiento planteado. Partiendo de los módulos de finura de cada árido
se puede plantear la siguiente expresión:
MF (mezcla) = MFA. % A + MFB . % B = (1)
Dónde: MF (mezcla) =Módulo de finura deseado en la mezcla de áridos
MFA y MFB= Módulo de finura del árido A y del árido B
% A y % B =% del árido A y del árido B en la mezcla
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
23
El problema planteado puede resolverse fácilmente si logramos formular otra ecuación
con esas dos incógnitas. Efectivamente, se puede plantear que: % A + % B = 100 %.
Así podemos despejar y obtener que:
% A = (MFB - MF (mezcla)) / (MFB - MF A) = (2)
1.6.3 Métodos Gráficos.
El interés por lograr una buena granulometría en la mezcla de áridos tiene como
objetivo fundamental el incremento de la compacidad del conjunto, a partir de llenar los
espacios inter-granulares con material cada vez más fino. O sea, que de modo general,
en la mayoría de los casos lo ideal es tener una mezcla con máxima compacidad y
superficie específica mínima, es aquí donde los efectos se manifiestan de modo
opuesto, pues mientras por un lado tratamos de buscar máxima compacidad llenando
los espacios con grano más fino (vacío mínimo), esto hace que se incremente la
superficie específica. La solución está entonces en encontrar una proporción que
satisfaga las exigencias principales sin comprometer otros parámetros técnicos.
(Colectivo de autores, 1985)
Entre los métodos gráficos que más se utilizan para la determinación de la proporción
más conveniente en la cual se deben combinar varios áridos para logar una cierta
granulometría se encuentran los del Nomograma y Rothfuchs.
1.6.3.1 Método del Nomograma o del Rectángulo.
Este método es recomendable utilizarlo para definir la proporción en que deben
mezclarse convenientemente dos áridos, que de manera independiente no poseen la
granulometría deseada, y que mezclándolos pudiera lograrse o al menos acercarse
más a ella. Desde luego que para poder aplicar el método se requieren como datos la
granulometría de cada uno de los áridos. La granulometría deseada pudiera ser una
especificación granulométrica dada o simplemente una que se seleccione en función de
los objetivos de la mezcla. La granulometría se puede expresar tanto en forma de un
solo valor de por ciento que pasa por cada tamiz (una curva), como en forma de un
intervalo de valores que formen un “huso” (dos curvas).
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
24
El procedimiento se basa, en esencia, en ir definiendo gráficamente el intervalo de
proporciones en que pudieran mezclarse los dos áridos para que la mezcla resultante
posea el por ciento que pasa por cada tamiz, que se ha establecido previamente como
“deseada”. Para ello se construye un cuadrado, cuyos lados verticales se gradúan en %
pasado (de manera ascendente de 0 a 100). Los lados horizontales (también graduados
en %) representan la proporción en que se pudieran combinar los áridos involucrados
en el análisis, por lo tanto, los valores para cada combinación deben sumar 100%, por
ejemplo 30% de un árido y 70% del otro, 40% de uno y 60% del otro, etc.
La definición de a cuál árido corresponde cada una de las escalas que forman el
cuadrado es esencial y un error en ello arruina totalmente los resultados del
procedimiento. Una manera recomendable es ubicar primeramente los áridos a
combinar en las escalas horizontales, en una posición que puede ser cualquiera (en la
escala superior uno y en la inferior el otro). Desde luego, si ubicamos uno cualquiera de
los áridos en la escala inferior de izquierda a derecha (de 0 a 100%), el otro debe estar
en la escala superior graduado de derecha a izquierda, de manera tal que cualquier
vertical que tracemos defina porcentajes que se complementen (que sumados den
100%).
En función de la ubicación de los áridos decidida anteriormente, queda definido
entonces a cuál de los áridos corresponden las escalas verticales dé % pasado. De
esta manera, si por ejemplo ubicamos un árido A en la escala inferior de 0 a 100% de
izquierda a derecha, la escala vertical derecha será la que represente al 100% de ese
árido, por lo que se corresponderá con la escala de % pasado de A. Lógicamente que la
otra escala vertical representa al % pasado de B, que coincidirá con el lugar donde está
el 100% de B.
1.6.3.2 Método de Rothfuchs
Es un método que puede utilizarse para determinar las proporciones en que pueden
mezclarse convenientemente varios áridos para obtener o acercarse lo más posible a
una cierta granulometría. Como en el método del Nomograma, se requieren como datos
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
25
la composición granulométrica de los “n” áridos a combinar y la granulometría que se
desea obtener, que pudiera ser una especificación de una norma, de una tecnología
dada, etc.
Este método es menos transparente que el del Nomograma, en el sentido de que no se
aprecia fácilmente de manera directa, el valor que puede obtenerse para cada tamiz en
las posibles combinaciones. Es un método muy sencillo, que tiene la ventaja con
respecto al anterior de que puede usarse para combinar dos o más áridos.
El procedimiento para la aplicación del método puede resumirse en la secuencia de
pasos siguiente:
1ro. Dibujar un rectángulo cuya rectangularidad sea aproximadamente dos, ubicado en
posición tal que el lado mayor sea horizontal. Se recomienda utilizar papel cuadriculado
o hacerlo en una hoja de papel en posición apaisada.
2do. Graduar de 0 a 100% los lados verticales del rectángulo.
3ro. Marcar una diagonal en el rectángulo, desde el vértice superior derecho hasta el inferior
izquierdo.
4to. Ubicar en el lado inferior del rectángulo la abertura de los tamices. Para efectuar esta
operación debe entrarse, usando la escala vertical, con el valor correspondiente al por
ciento pasado para cada tamiz de la granulometría deseada (o especificación) hasta
interceptar la diagonal trazada, y bajar entonces hasta el lado horizontal inferior, donde
se marca la abertura del tamiz correspondiente.
5to. Teniendo entonces en el eje de abscisas la abertura de los tamices y en las ordenadas
el % pasado por cada tamiz, se trazan las curvas granulométricas de los “n” áridos
involucrados en la mezcla.
6to. Utilizando una regla transparente se traza, para cada curva granulométrica, un
segmento de recta en una posición tal que compense las áreas que le queden por
encima y por debajo de la misma. Debe tenerse mucho cuidado en esta operación,
pues de ello depende en gran medida el resultado obtenido.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
26
7mo. El extremo inferior del segmento ubicado más a la derecha (de los trazados en el paso
anterior) se une con el superior del inmediato a la izquierda con una recta y así
sucesivamente hasta terminar con todos. Siempre habrá n-1 rectas de este tipo.
8vo. A partir de los puntos de intercepción de las rectas trazadas en el paso anterior con la
diagonal del rectángulo, se proyecta hacia una de las escalas laterales, quedando
entonces perfectamente definidos los por cientos en que han de mezclarse los “n”
áridos para obtener (o acercarse) a la granulometría deseada.
9no. Conociendo ya los por cientos en que han de mezclarse los áridos, se puede entonces
calcular el por ciento pasado por cada uno de los tamices del árido que resulta de la
mezcla.
1.6.3.3 Método del prisma.
Este método gráfico (Fig.1.6.3.3) nos sirve para determinar una composición de tres
áridos de granulometrías conocidas para que la mezcla cumpla unas especificaciones
granulométricas dadas.
Para construir el prisma primeramente dibujamos como primera etapa un triángulo
equilátero, en cada uno de los lados dibujamos una escala de porciento siguiendo un
mismo sentido, después unimos los puntos de igual porciento con lo cual obtenemos el
diagrama de proporción de los materiales. Cada punto dentro del triángulo representa la
mezcla de tres ingredientes en una proporción determinada. En cada vértice del
triángulo se dibujan líneas verticales en las que se trazan escalas de porcientos, en
estas escalas se representan los porcientos pasados de cada tamiz para los áridos.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
27
Figura 1.6.3.3 Método del prisma, gráfica mezcla de tres áridos.
1.7 MÉTODO PARA DOSIFICAR MEZCLAS DE HORMIGÓN VITERVO O´REILLY.
En la actualidad, existen en la literatura mundial muchos métodos analíticos, así como
otros de carácter práctico, para determinar la composición de las mezclas de hormigón.
Internacionalmente se recomienda el uso de la ecuación de Bolomey, pero esta no es
válida para los áridos cubanos pues estos tienen granulometría inadecuada, o
contenido de partículas de irregulares que oscilan entre 16 y 32%, por esto es
necesario determinar previamente las características de nuestros áridos y en función de
ellas, diseñar la mezcla, además de incluir la influencia de la plasticidad del hormigón
en estado fresco. (O´Reilly, 2012)
1.7.1 Método para Diseño de Mezclas de Hormigón Basado en la Determinación Correcta de las Características de los Áridos.
Para determinar la composición óptima de un hormigón hay que realizar ensayos de
laboratorio.
1-Determinar por el método experimental la relación óptima de la mezcla de arena y
áridos gruesos.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
28
2-Determinar la cantidad de agua para obtener la consistencia requerida de la mezcla.
3-Determinar la característica A de los áridos.
4- Determinar la cantidad de cemento.
Para determinar la mezcla óptima de áridos el método más preciso es el experimental,
que está basado en la determinación del porcentaje de vacío de la mezcla de los áridos
finos y gruesos. El porcentaje de vacío mínimo de la mezcla de los áridos señala la
composición óptima, la cual requerirá una cantidad mínima de cemento. Para
determinarlo hay que ensayar las mezclas de áridos con las proporciones de arena y
gravilla siguientes: 35:65; 40:60; 45:55; 50:50; 55:45 y 60:40.
Como primer paso hay que determinar el peso unitario compactado de la mezcla de los
áridos (PUCm) de cada una de las mezclas anteriores, después se determina el peso
específico corriente de la mezcla de los áridos (PECm). Para obtenerlo, se calcula el
peso específico de la arena y del árido grueso.
100
%*%* gPECgAPECaPEC m (3)
Dónde:
PECm: Peso específico corriente de la mezcla de los áridos.
PECa: Peso específico corriente de la arena
PECg: Peso específico corriente de la gravilla
%A: porcentaje de la arena
%g: porcentaje de la gravilla
Hay que determinar el PECm para cada una de las mezclas de los áridos
Determinar porcentaje de vacío
100* vacíode PorcentajePECm
PUCmPECm (4)
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
29
Cuando se determinan todos los porcentajes de vacíos, se toma el menor, en el caso
de que se usen dos áridos gruesos ej. Gravilla (de 6.35 hasta 19mm) y piedra (de 12.7
a 38 mm) hay que determinar primero el porcentaje de vacío mínimo de la mezcla de
los dos áridos gruesos a usar y luego esta se mezcla con la arena en las 6 proporciones
antes mencionadas.
Para determinar la cantidad de agua se elabora una mezcla con la laborabilidad que se
necesita ej. As=6 cm
1-Proporción entre áridos gruesos y finos según vimos.
2-Cantidad de cemento según la experiencia y relacionada con la resistencia requerida
del hormigón.
3- Cantidad de agua, se fija como referencia según la experiencia.
Para determinar exactamente la cantidad de agua, se pone en la mezcladora una
cantidad de agua menor que la prefijada, se establece su asentamiento (ej.2 cm),
después se añade una pequeña cantidad de agua y se mide nuevamente (ej.4 cm) y así
se repite hasta que dé aproximadamente la cantidad total de agua necesaria por el
cono de Abrams. Esta debe ser corregida de acuerdo con la humedad superficial de la
arena.
Además, se laboran 6 probetas y determina la resistencia a compresión a los 7 y 28
días. Como estos datos van a servir para determinar el coeficiente A de los áridos
gruesos, se repite el ensayo no menos de 3 veces, para asegurar la exactitud de los
datos.
El coeficiente A se determinará a partir de los resultados de los ensayos.
21 * MVMR
RA
c
h
(5)
V: valor dependiente de la relación agua-cemento, se toma de la tabla 2 según la
relación agua-cemento conforme a los ensayos del cono de Abrams.
En el caso de los ensayos se prefija el cemento según la experiencia y luego se
determina por la fórmula:
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
30
1
2*
M
MAR
R
V c
h
(6)
Dónde:
Rh: Resistencia del hormigón a compresión que queremos obtener (kg/cm2)
Rc: Resistencia del cemento que estamos usando (kg/cm2)
Determinado V, se toma de la tabla 2 el valor W de la relación agua-cemento que le
corresponda y que es la adecuada, entonces se calcula la cantidad de cemento real:
W
ac (7)
Dónde:
c. cantidad de cemento (kg)
a: cantidad de agua (L)
Al obtener la cantidad de cemento, se elaboran 6 probetas cilíndricas y comprueban la
resistencia a compresión del hormigón, que debe dar un valor muy aproximado al
deseado.
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
31
Tabla 1
Tabla 2
Capítulo I: Fundamentos Teóricos – Metodológicos.
32
CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO I.
La literatura consultada para determinar los antecedentes históricos de estudios
realizados para la utilización de escorias siderúrgicas como agregados en hormigones
hidráulicos estructurales, así como la búsqueda de experiencias previas donde se
emplea la escoria como material en la construcción y los distintos métodos analizados
para el diseño de mezclas de hormigón, proporcionan las conclusiones siguientes:
1. Las escorias siderúrgicas a nivel internacional tienen aplicaciones variadas como
material alternativo en la construcción.
2. Las escorias negras de arco eléctrico generadas y estudiadas en diferentes
países presentan características físicas-mecánicas favorables para ser
empleadas en hormigones hidráulicos.
3. Los diversos métodos para combinar áridos y el de dosificar mezclas de
hormigón de Vitervo O´Reilly, constituyen las herramientas necesarias para el
diseño de dosificaciones de hormigón con escoria siderúrgica como árido fino.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
33
CAPITULO II: CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES Y DISEÑO DE DOSIFICACIONES.
2.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se exponen las características físicas y químicas de la escoria negra
procedente de la fábrica ACINOX de Las Tunas, también se caracterizan los áridos
naturales de la cantera de Candelaria y el cemento P-350 producido en la fábrica Carlos
Marx de Cienfuegos. Se obtienen las combinaciones entre la arena de escoria y la
natural. Mediante el método O´Reilly se diseñan las diferentes dosificaciones para
hormigón de una resistencia de 20.0 MPa.
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LA ESCORIA PROCEDENTE DE LA FÁBRICA ACINOX DE LAS TUNAS.
Las escorias generadas en la Fábrica ACINOX (Las Tunas) se obtienen esencialmente
en hornos de arcos eléctrico y de cuchara; empleando cal y fluoruro de calcio, en el
proceso de fabricación de aceros aleados y al carbono. Se explota como materia prima
fundamental las chatarras de acero y de hierro fundido, aunque para ajustar diferentes
elementos de la aleación se utilizan además, otros residuos de recirculación y
ferroaleaciones. (C. Proénza 2014)
2.2.1 Composición química y mineralógica.
La composición química de las escorias negras y blancas procedente del conjunto de
hornos de la empresa, fue determinada en el laboratorio de ensayos en la propia
fábrica. En las tablas 2.1 a) y b), se aprecia la existencia mayoritaria de Cal Viva (CaO)
y Dióxido de Silicio (SiO2), tanto en las escorias negras como blancas. El Hierro (Fe)
predomina en la muestra de escorias negras, por los restos de metal que pueden
quedar mezclados al ser fundidos por los electrodos del arco eléctrico; mientras que en
la composición de las blancas abunda la alúmina (Al2O3).
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
34
Tabla 2.1 a) Análisis de una muestra de escoria negra del horno de arco eléctrico.
Tabla 2.1 b) Análisis de una muestra de escoria blanca del horno de cuchara.
IB: índice de basicidad, relación entre el CaO y el SiO2 presente en la composición
química de la muestra.
(8)
2.2.2 Análisis lixiviación, eco toxicidad y concentración de metales pesados.
En Cuba no existen normas para verificar el grado de contaminación o los efectos
negativos que puede ocasionar el manejo de las escorias metalúrgicas. Según la
Instrucción Española (EHE; 1999) cuando no se tengan antecedentes sobre la
naturaleza de los áridos disponibles, se les realiza ensayos de identificación mediante
análisis mineralógicos, petrográficos y físicos.
En la fase de fusión en hornos de arco eléctrico, se puede generar una escoria con
propiedades desfavorables; si las cargas de materiales empleadas para su formación
contienen metales pesados como: níquel, cadmio, cromo y plomo, su carácter tóxico lo
confiere la forma en que esos compuestos están presentes dentro de la misma (si
poseen potencial de lixiviación).
Minerales NiO Cr2O3 MnO Fe CaO MgO SiO2 AL2O3 P2O5 S TiO2 V2O5 F Na2O K2O Zn IB
% en la
Muestra
<0.01 1,2 6,3 17,4 34 4,6 16 3,1 0,7 0,09 0,56 0,11 0,04 <0.001 0,01 0,002 2,13
Minerales NiO Cr2O3 MnO Fe CaO MgO SiO2 AL2O3 P2O5 S TiO2 V2O5 F Na2O K2O Zn IB
% en la
muestra
0,034 <0.1 1 1,3 43 9,6 22 16,2 0,01 0,49 0,77 0,01 0,09 0,034 0,03 0,02 1,95
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
35
Con este ensayo se trata de determinar la concentración de metales pesados en el
lixiviado de la muestra analizada, a través de análisis de espectrometría.
En nuestro país el Centro de Investigaciones Metalúrgicas efectuó el análisis de
lixiviación y eco toxicidad a las escorias negras y blancas de la Empresa Siderúrgica
José Martí, donde la concentración de metales pesados en la escoria negra, se
encuentran por debajo del límite tóxico de acuerdo a la Legislación Europea.
(Resultados del análisis Anexo 4)
La concentración de metales pesados en la escoria blanca está por debajo de los
límites tóxicos, de acuerdo al análisis de lixiviación y eco toxicidad son inferiores a los
límites de peligrosidad. Lo que indica que nuestras escorias son medioambientalmente
aceptables de utilizar sin que ello implique una afectación al medio ambiente. (Solange,
M.; 2011).
Haciendo una comparación (Tabla 2.2.2) entre los porcentajes más representativos de
óxidos de las escorias negras generadas en la plantas ACINOX y José Martí se puede
observar que presentan características similares, por lo que se pudiera suponer que las
primeras presentarían resultados análogos a las segundas, en cuanto al análisis de
lixiviación y eco toxicidad.
Tabla 2.2.2 Porcentajes de más representativos de óxidos de las plantas ACINOX y
José Martí.
Óxidos Escoria de planta ACINOX (%) Escoria de planta José Martí (%) (Solange, M.;
2011).
CaO 34 29.65
SiO2 16 15.76
AL2O3 3,1 4.1
MgO 4,6 4.48
Cr2O3 1,2 1.14
MnO 6,3 1.16
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
36
2.2.3 Estabilidad de volumen.
Las escorias presentan en su composición elementos como Cal libre (CaO) y Magnesia
libre (MgO) de naturaleza expansiva. La hidratación de las mismas unidas a la
oxidación de los iones de hierro (Fe), son capaces de perturbar la estabilidad de las
escorias. Ortega López (2011: 34) afirma que “esta cal libre o lima puede hidratarse al
meteorizarse por el agua de lluvia o por la propia humedad ambiental, desarrollando un
incremento de volumen importante”, y añade:
Las reacciones de hidratación son también diferentes dependiendo del tipo de
escoria estudiada. Las escorias negras de horno de arco eléctrico presentan
hidrataciones muy atenuadas que, en el caso de producirse, lo hacen de forma
lenta y sostenida. Por el contrario, las escorias blancas se disgregan fácilmente
por la hidratación de la cal libre, circunstancia que propicia la posterior hidratación
de la magnesia libre, favorecida por la mayor superficie específica de la escoria
desintegrada, ya que su granulometría es muy fina.
Para obtener una escoria envejecida o reaccionada, se toman las muestras de los
lugares del depósito, que según los criterios de pobladores cercanos, llevan mayor
tiempo de deposición. Se adopta el criterio de envejecimiento natural aunque se puede
realizar también por aspersión de agua a los montículos (C. Proénza 2014).
2.3 TOMA DE MUESTRAS.
La muestra de áridos constituye una pequeña porción del material que al ser
caracterizada el valor resultante corresponde a la totalidad del material del cual se
extrajo, por lo que debe ser representativa de la naturaleza, características y
condiciones de los mismos.
Las muestras de escorias se toman del relleno sanitario establecido para la ubicación
final de este residuo (Fig. 2.1. Anexo1), el mismo está ubicado en una antigua cantera a
unos 800 m de la empresa siderúrgica y cuenta con Licencia Ambiental. Según
información brindada por la propia empresa, por recomendación del CITMA, la base de
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
37
éste lugar fue tratado con cascarilla y arenón, para ser vertidos dichos residuos de la
producción de acero, la aplicación de estas recomendaciones aseguran su viabilidad
como materia prima para otros procesos en construcción civil.
Para realizar la operación se siguen los pasos descritos en la NC-671: 2008 para el
tratamiento de áridos almacenados en pilas:
Se efectúan en puntos aleatorios del depósito en las áreas que presentan mayor
aspecto de envejecimiento, siguiendo los criterios de personas que trabajan en el lugar,
en montículos de aspecto cónico. Se realiza el muestreo, recogiendo en sacos de nylon
grueso y con una pala de punta (Fig. 2.2. Anexo 1) porciones de material de la parte
superior, intermedia y de la base de las pilas anteriormente mencionadas. En total se
recogieron tres sacos y medio de escoria con un peso superior a 200 Kg y se
trasladaron al laboratorio de materiales de la construcción de la Empresa Productora
de Prefabricado Holguín en el municipio Holguín.
2.4 ENSAYOS REALIZADOS A LA ESCORIA NEGRA DE ARCO ELÉCTRICO.
2.4.1 Análisis granulométrico
El ensayo de granulométrico se realiza para determinar la distribución de los tamaños
de las partículas del árido, tanto fino como grueso. La composición granulométrica
desempeña un papel importante en las propiedades de los hormigones que lo
contienen, pues tiene influencia en la facilidad de mezclado, transporte, colocación y
compactación del mismo.
Según la NC-178:2002 (análisis granulométrico) el procedimiento se basa en la
determinación de las fracciones granulométricas de los áridos, por medio de un
movimiento lateral y vertical del tamiz, acompañado de una acción de sacudida de
manera que la muestra se mueva continuamente sobre la superficie de los tamices.
Las operaciones a realizar se describen de la siguiente manera:
1. Las distintas muestras de escorias por cuarteo manual; se criban por el tamiz No.4
(4.76 mm) para separar la fracción gruesa de la fina, en caso de árido fino el peso
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
38
mínimo de la muestra para el ensayo es de 0.5 Kg; una vez que han sido secadas
previamente a peso constante, en una estufa eléctrica a 110 ºC.
2. La fracción de material así obtenida se deposita en el juego de tamices establecidos
por la norma en este caso para áridos finos y estos a su vez se colocan en la
tamizadora eléctrica. Por ciclos repetitivos durante un período de tiempo 10 min, se
obtienen las granulometrías para tres muestras aleatorias y para la combinación de
las mismas (Tablas 2.4.1 a, b, c y Tabla 2.2.2).
3. Se grafican los rangos granulométricos establecidos por la NC-251:2005 para el
comportamiento de las muestras de áridos finos para hormigones (Tabla 2.1 Anexo
2) y se comparan con el comportamiento de las muestras combinadas de escoria
(Fig. 2.3).
Tabla 2.4.1 a) Análisis granulométrico para 3 muestras aleatorias de escoria.
Tamices normados
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 2 2 0 100
8 2.38 260 262 44 55
16 1.19 139 401 68 32
30 0.59 63 464 79 21
50 0.295 32 496 84 16
100 0.149 22 518 88 12
F
71 589
b)
Tamices normados
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 0 0 0 100
8 2.38 206 206 37 63
16 1.19 127 333 61 39
30 0.59 73 406 74 26
50 0.295 37 443 81 19
100 0.149 26 469 85 15
F
81 550
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
39
c)
Tabla 2.4.2 Análisis granulométrico para las 3 muestras combinadas de escorias.
Tamices normados
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 3 3 1 99
8 2.38 223 226 45 54
16 1.19 100 326 65 35
30 0.59 53 379 76 24
50 0.295 29 408 82 18
100 0.149 19 427 85 15
F
73 500
Tamices normados
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 3 3 0 100
8 2.38 815 818 60 40
16 1.19 245 1063 78 22
30 0.59 73 1136 84 16
50 0.295 40 1176 87 13
100 0.149 32 1208 89 11
F
150 1358
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
40
Figura 2.3 Comportamiento de las muestras combinadas de escoria siderúrgicas.
Como se puede apreciar en la Fig. 2.3. El comportamiento de la escoria negra
proveniente de la fábrica ACINOX de Las Tunas presenta una granulometría continua,
aunque los tamices #100, #16 y #8 no cumplen con los parámetros establecidos por la
NC-251:2005 para áridos finos en hormigones hidráulicos (Tabla 2.1 Anexo 2).
Teniendo en cuenta que este residuo proviene de un depósito y no de un molino, con el
fin de obtener árido para hormigones, el resultado es aceptable.
2.4.2 Determinación del contenido de partículas de arcilla.
Según la NC-179:2002, se obtienen las partículas de arcilla contenidas en los áridos por
medio de una selección, y se determina el porciento que representan del peso del árido.
Para la realización del ensayo se utilizan los siguientes instrumentos: Estufa (capaz de
mantener una temperatura constante entre 105 ºC -115 ºC), recipiente (con capacidad
para extender hasta el fondo las capas de árido); juego de tamices; balanza con
precisión de 0.01 g.
Las muestras se obtienen por cuarteo manual y de la mezcla combinada de varios
patrones, se toma una muestra representativa del material que se quiere ensayar. Las
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
41
mismas se tratan con extrema precaución de manera tal que no se rompan las
partículas de arcilla que puedan estar presentes.
Posteriormente se secan hasta alcanzar peso constante a una temperatura de 105 -110
ºC y para áridos finos se analiza aquella parte que queda retenida en el tamiz No.16
con abertura de 1.19 mm y con un peso no menor a 100g.
La NC-179:2002 expone que la muestra se extiende en una capa delgada en el fondo
del recipiente y se examina luego para descubrir las partículas de arcilla, cualquier
partícula que pueda dividirse con los dedos se debe clasificar como arcilla, no se deben
presionar contra una superficie dura.
Una vez realizada esta operación, se separa el residuo de las mismas empleando para
el árido fino el tamiz de 0.084 mm (no.20) y se calcula el porciento de arcilla.
En caso de las escorias siderúrgicas no se detectaron partículas de arcilla.
2.3.3 Cálculo del módulo de finura.
El módulo de finura es un índice del tamaño medio de las partículas que componen una
muestra de árido, aunque es independiente de sus granulometrías y se calcula por la
formula siguiente:
100
% acumuladoretenidoMF
(9)
El módulo de finura de la combinación de las muestras de escoria es 3.54 y cae dentro
del rango establecido por la NC-251:2005 para árido fino (2.2-3.58)
2.4.4 Determinación del material más fino que el tamiz de 0,074 mm (No. 200)
Si hay un exceso del material más fino que el tamiz No. 200 en los áridos que se van a
usar en la fabricación de hormigones con cemento Portland, es necesario la utilización
de contenidos altos de agua, lo que provoca pérdida de calidad.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
42
La NC-182:2002 refiere que el procedimiento consiste en separar mediante lavados y
tamizados sucesivos, las partículas finales existentes en los áridos. Los finos son la
fracción de partículas, que pasan a través del tamiz de 0,074 mm (No. 200).
Para realizar el ensayo se utilizan los siguientes instrumentos: Estufa a temperatura
constante de 110ºC, bandeja metálica de forma cuadrada, frasco lavador de 500 ml de
capacidad y el juego de tamices.
Las operaciones inician con la homogeneización de una muestra con suficiente
humedad para evitar su segregación. Se deposita luego en el recipiente (bandeja
metálica); se deseca en la estufa hasta alcanzar un peso constante y se siguen los
pasos que a continuación se exponen:
Se toma una muestra de 500 g y se le añade agua hasta cubrirla, para garantizar una
mezcla adecuada, se agita vigorosamente para poner en suspensión las partículas que
pasan el tamiz 200 y separarlas de aquellas que presentan mayor diámetro (Fig. 2.4
Anexo 1).
Posteriormente se vierte el agua que contiene las partículas en suspensión, en los dos
tamices (el más grueso encima), evitando la decantación de las partículas gruesas de la
muestra. El proceso de lavado se repite varias veces hasta obtener un agua limpia, el
material retenido se une a la muestra lavada. El árido lavado se deseca a peso
constante durante 24 horas a una temperatura de 110 ºC
Método de cálculo:
(10)
a: peso de la muestra original seca
b: peso de la muestra seca después de lavada
El resultado del ensayo del tamiz No.200 para las escorias siderúrgicas es de 3.53% y
según la NC-251:2005 como está libre de arcilla se permite hasta un 5%.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
43
2.4.5 Determinación del peso volumétrico.
El peso volumétrico de un árido es la relación entre el peso de una determinada
cantidad de este material y el volumen ocupado por el mismo, considerando como
volumen al que ocupan las partículas del árido y sus correspondientes espacios
intergranulares.
La NC-181:2002 refiere que los pesos volumétricos se determinan por medio de
pesadas del material contenido, en recipientes calibrados de volumen conocido.
Para el cálculo del mismo, se utilizan los siguientes instrumentos descritos en la norma:
Barrilla de acero recta, de sección circular de 15,8 mm de diámetro y 600 mm de
longitud, de diámetro 15,8 mm, estufa a temperatura de 110 ºC, balanza con precisión
de 0.01g y recipiente metálico debidamente calibrado y de espesor normalizado.
Según la NC-181:2002 el procedimiento inicia con el secado de la arena en la estufa.
Luego el recipiente se llena con tres capas, propiciándole 25 golpes con la varilla de
compactación a cada capa, para lograr su correcta homogenización; los golpes son
distribuidos uniformemente sobre la superficie y de manera que la primera serie llegue
hasta el fondo sin golpearlo fuertemente.
La compactación en las capas restantes, es sólo en el espesor de las mismas; luego se
enrasa la superficie del árido con una regla metálica de bordes rectos.
Los áridos se descargan desde una altura no mayor de 50 mm sobre la parte superior
del recipiente y en el centro de la medida, evitando con ello la segregación de las
partículas. El método de cálculo (Anexo 3) describe los pasos para determinar el peso
volumétrico de cada muestra de áridos.
Resultados del árido siderúrgico:
Peso unitario suelto =1810 Kg/m3
Peso unitario compactado =2018 Kg/m3
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
44
2.4.6 Pesos específicos y absorción de agua.
Según NC 186: 2002 se obtienen los pesos específicos y la absorción de agua por
medio del pesaje de la arena en estado seco y saturado en agua.
Se obtienen por cuarteo 1000 g de escoria, se secan a temperatura de 110 ºC en la
estufa a peso constante. Luego se sumergen en agua durante 24 horas, una vez
cumplido el tiempo se derraman en bandeja de fondo plano para ser secadas al aire
libre.
A continuación se comprueban los resultados, a través del llenado del molde tronco
cónico, apisonándolo con la varilla de compactación, propiciándole 25 golpes.
Al retirar el cono se evalúa la muestra, si conserva la forma, presenta humedad
superficial. El proceso se repite a intervalos frecuentes, hasta que al retirar el recipiente
troncocónico, el cono de arena se derrumbe.
El procedimiento experimental se desarrolla de la siguiente manera:
Se introduce en el frasco volumétrico 500 g de material y se le añade agua hasta llegar
por debajo del nivel del enrase. Para sacar las burbujas de aire el frasco se coloca el
frasco volumétrico sobre una superficie plana, se inclina unos 300 y se hace rodar con
rapidez sobre la misma, sujetándolo por la boca hasta que sean expulsadas todas las
burbujas (Fig. 2.5 Anexo 1) . Este procedimiento se realiza aproximadamente durante
media hora, luego se le añade agua hasta nivel de enrase y se determina el peso total
con un error de 0.01 g.
Se extrae la arena del frasco volumétrico y se deseca a peso constante a temperatura
de 110 ºC, se deja enfriar y se pesa con un error menor que 0.01g.
Los métodos de cálculo que explican los pasos a seguir, para determinar los pesos
específicos corriente, saturado, aparente y el porciento de absorción de agua se
explican en el Anexo 3.1 y los resultados del análisis de la escoria negra son:
- Peso Seco= 495 g; Peso Saturado=500 g; Peso Sumergido= 338.8g; Peso del
frasco más el del agua=649.2g
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
45
- Peso Específico Corriente = 3.07g/cm3
- Peso Específico Saturado= 3.1 g/ cm3
- Peso Específico Aparente = 3.17 g/ cm3
- Absorción de Agua=1 %
2.4.7 Determinación del porciento de huecos
Según NC-177: 2002 el método para determinar el porciento de huecos en los áridos,
es utilizando el peso específico corriente y el peso volumétrico compactado calculados
previamente.
El porciento de huecos en los áridos se determina con arreglo a la fórmula siguiente:
(11)
Dónde:
PH: Porciento de huecos.
PEC: Peso específico corriente del árido.
PVC: Peso volumétrico compactado del árido.
Para el árido siderúrgico es de 34.3%.
2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁRIDOS NATURALES EMPLEADOS.
Los áridos naturales utilizados para elaborar las dosificaciones, tanto gruesos y finos
fueron proporcionados por la Empresa Productora de Prefabricado Holguín y proceden
de la cantera de Candelaria perteneciente al municipio de Gibara.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
46
2.5.1 Composición química
Los compuestos químicos que posee son: óxido de calcio (CaO), óxido de
magnesio (MgO), dióxido de silicio (SiO 2 ), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), óxido
de hierro III (Fe 2 O 3 ) y trióxido de azufre (SO 3 ). El contenido de CaCO 3 está
por encima del 90% y el de SiO 2 oscila desde las trazas hasta 0.5%.La suma de
los por cientos obtenidos de magnesio, sílice y aluminio no excede el 3% en su
totalidad.(Font. X .2009)
2.5.2 Ensayos realizados al árido fino.
Los ensayos realizados al árido fino natural de la cantera de Candelaria son los mismos
explicados anteriormente y que se le efectuaron a la arena siderúrgica, bajo las mismas
normas. El análisis granulométrico se muestra en la tabla 2.4.2.
Resultados obtenidos:
- Material más fino que la malla 0.074 mm (# 200) =0.61%, cumple con la NC-
251:2005
- Módulo de finura =3.52, cumple con la NC-251:2005
- Partículas de arcilla: no contiene
- Peso unitario suelto =1582 Kg/m3
- Peso unitario compactado =1668 Kg/m3
- Porcentaje de vacío= 34.8%
- Peso Específico Corriente =2.560 g/cm3
- Peso Específico Saturado= 2.610 g/cm3
- Peso Específico Aparente= 2.700 g/cm3
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
47
- Absorción de agua = 2.2 %
Tabla 2.4.2 Análisis granulométrico de la arena de Candelaria.
Tamices normados
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 12 12 2 98
8 2.38 135 147 29 68
16 1.19 136 283 57 43
30 0.59 106 389 78 22
50 0.295 62 451 90 10
100 0.149 29 480 96 4
F
20 500
Figura 2.6 Comportamiento de la muestra de arena de Candelaria.
En este caso el comportamiento de la arena procedente de Candelaria como se aprecia
en la figura 2.6, está ligeramente por debajo del límite inferior establecido por la NC-
251:2005, para áridos finos en hormigones hidráulicos (Tabla 2.1 Anexo 2),
específicamente en los tamices #30, #16 y #8, esto es debido a desperfectos en el
molino de la cantera.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
48
2.6 ENSAYOS REALIZADOS AL ÁRIDO GRUESO.
2.6.1 Pesos específicos y absorción de agua.
Según la NC-187:2002, para aridos gruesos que se utilizan en la elaboracion de
hormigones se detrminan los pesos espesificos y la absorcion de agua por medio de
pesadas.
Después del cuarteo del material se seleccionan 5Kg y se descarta todo el árido que
pasa por el tamiz de 9.52 mm. Se lava bien para quitarle el polvo o cualquier material
adherido a la superficie de las partículas y se seca en la estufa hasta peso constante a
una temperatura de 1050-1100 C.
Luego se sumergen en agua a temperatura ambiente durante 24 horas. Posterior al
periodo de inmersión se secan las partículas rodándolas sobre una tela absorbente
hasta que se haya eliminado toda película de agua visible. La muestra se pesa en el
aire.
Una vez pesada, la muestra saturada y superficialmente seca, se determina su peso en
el agua. Posteriormente se seca en la estufa hasta peso constante a una temperatura
de 1050-1100 C, se deja enfriar a temperatura ambiente y se pesa. Los métodos de
cálculo se explican en el Anexo 3.2 y los resultados son los siguientes:
- Peso Específico Corriente= 2.61 g/cm3
- Peso Específico Saturado= 2.65 g/cm3
- Peso Específico Aparente= 2.71 g/cm3
- Absorción de agua = 1.35%
2.6.2 Análisis granulométrico.
El análisis granulométrico se realiza bajo la norma NC-178:2002 para áridos gruesos de
fracción 25-5 mm y se muestra en la tabla 2.5.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
49
Tabla 2.5 Análisis granulométrico del árido grueso de Candelaria.
Figura 2.7 Comportamiento de la muestra del árido grueso de Candelaria.
En el caso del árido grueso proveniente de la cantera de Candelaria, el comportamiento
de su granulometría como se muestra en la figura 2.7, cumple con lo establecido por la
NC-251:2005 para fracciones de 25-5mm (Tabla 2.6.2 Anexo 2).
2.6.3 Determinación de partículas de arcilla.
Para la determinación de partículas de arcilla se efectúa el procedimiento, según lo
específica la NC-179:2002 para áridos gruesos. En el cual no se detectaron partículas
de arcilla.
Tamices normados Tamiz (mm) % Pasado
1 1/2 38.1 100
1 25.4 98
1/2 12.7 53
4 4.76 10
8 2.38 2
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
50
2.6.4 Determinación del material más fino que el tamiz de 0,074 mm (No. 200)
El procedimiento para estimar el porciento de material más fino que el tamiz de 0,074
mm (No. 200) es el mismo que el del árido fino, explicado anterior mente. Solo que la
muestra en este caso según la NC-182:2002 es de 2,5 Kg.
El resultado del ensayo es de 1% y cumple con la NC-251:2005 que permite hasta 1.5%
para áridos gruesos.
2.6.5 Determinación del peso volumétrico.
La determinación del peso volumétrico se desarrolla según lo establecido por la NC-
181:2002 para áridos gruesos y los resultados son los siguientes:
Peso unitario suelto = 1384 Kg/m3
Peso unitario compactado = 1555 Kg/m3
2.6.6 Determinación del porciento de huecos.
Para el árido grueso se calcula el porciento de huecos según la NC-177: 2002 y el
resultado es de 40.4 %.
2.6.7 Índice de Triturabilidad.
La resistencia mecánica de los áridos gruesos se determina por el índice de
triturabilidad.
Este ensayo se realiza bajo los parámetros establecidos por la NC- 190:2002 en el
laboratorio de materiales de la construcción de la ENIA, en el municipio Holguín.
Según la norma, se basa en la determinación del índice de triturabilidad de una porción
de árido grueso, sometida a esfuerzo de compresión constante.
El resultado para el árido analizado es de 13.80 % y coincide con lo establecido para
hormigones de más de 40 MPa según la NC-251:2005.
2.7 ENSAYOS REALIZADOS AL CEMENTO P-350 DE LA FÁBRICA CARLOS MARX DE CIENFUEGOS.
2.7.1 Ensayos químicos.
Los ensayos químicos fueron realizados por el laboratorio de la empresa Carlos Marx y se muestran los resultados en las tablas 2.7 y 2.7.1.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
51
Tabla 2.7 Composición mineralógica del cemento P-350. (Font. X .2009)
Fase (%)
Silicato tricalcico (C3S) 54.44
Silicato dicálcico (C2S) 18.56
Aluminato tricalcico (C3A) 6.29
Ferrito aluminato tricalcico (C4AF) 11.03
Tabla 2.7.1 Composición química del cemento P-350. (Font. X .2009)
Componentes (%)
Dióxido de Silicio ( SiO2 ) 21.32
Oxido Férrico (Fe2 O3) 3.35
Oxido de Aluminio ( Al2O3) 4.71
Oxido de Calcio (CaO ) 62.98
Oxido De Magnesio (MgO) 2.01
Trióxido de Azufre (SO3) 2.58
Perdida por Ignición (PPI) 2.18
Residuo Insoluble (RI) 1.93
Cal Libre 2.86
2.7.2 Ensayos físicos.
Se obtienen para el cemento las propiedades físicas más relevantes relacionadas con
las cantidades de agua necesarias para ser amasadas, estabilidad volumétrica, tiempos
de fraguado y densidad, estos resultados son comparados con los límites establecidos
en la norma NC-95:2001 que implanta los requisitos que deben cumplir los cementos
Portland que se utilizan en la construcción.
2.7.3 Consistencia normal.
La NC 524: 2007 establece que el método se emplea en la determinación de la cantidad
de agua requerida para preparar la pasta de cemento hidráulico a ensayar.
Para el mezclado mecanizado se emplean los siguientes instrumentos: Amasadora del
tipo epicíclico de acción electromagnética con dos velocidades controladas por medios
mecánicos (Fig. 2.8 (a). Anexo 1), paleta removible de acero inoxidable (Fig. 2.8 (b).
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
52
Anexo 1), recipiente removible con capacidad de 5 litros (Fig. 2.8 (c). Anexo 1), regla
metálica, balanza con sensibilidad de 0.01g, vidriera graduada, aparato de Vicat (Fig.
2.9 Anexo1).
La pasta de cemento se prepara según lo establecido en la presente norma. Se colocan
la paleta y el recipiente, se mezcla 650 g de cemento con agua y se deja absorber agua
durante 30 s. Se enciende la amasadora y se mezcla a velocidad lenta por 30s.
Luego se detiene el equipo, se raspa con la espátula y se incorpora el material adherido
a las paredes del recipiente a la mezcla.
Se mezcla nuevamente a velocidad rápida por un minuto con una precisión de ±1s.
Posteriormente se moldea la pasta de cemento en forma de bola y se proyecta de una
mano a la otra, una seis veces y se obtiene una masa esférica que puede ser
introducida fácilmente por la cavidad más ancha del anillo de Vicat (Fig.2.9 detalle G)
con una mínima cantidad de manipulaciones.
Posteriormente se coloca en el plato (Fig. 2.9 detalle H. Anexo 1) y se alisa por el
menor de los diámetros con varios toques de llana en posición oblicua.
Finalmente se centra el anillo en el plato, se coloca el extremo sumergible (Fig. 2.9
detalle C. Anexo 1), se fija el indicador movible (Fig.2.9 detalle F. Anexo 1) a la marca
de “0” de la escala y se libera inmediatamente la barra (Fig.2.9 Anexo 1). Se varía la
cantidad de agua hasta obtener (10 ± 1 mm) de penetración de la barra en unos 30s.
Cálculo de la consistencia normal:
(12)
A: Peso en gramos de la cantidad de agua que produce una pasta de consistencia
normal
650: peso en gramos de la cantidad de cemento
La consistencia normal del cemento analizado es de 25.4 %.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
53
2.7.4 Tiempo de fraguado inicial y final.
La NC 524: 2007 establece que la muestra del ensayo utilizada en la determinación de
la consistencia normal puede ser usada para una determinación adicional del tiempo de
fraguado por la aguja Vicat mediante el procedimiento descrito a continuación:
Se moldea la muestra de ensayo e inmediatamente se pone dentro de la cámara o local
húmedo y se mantiene allí, excepto cuando se está realizando una determinación del
tiempo de fraguado. La muestra permanece en el molde cónico, soportado por el plato
de vidrio (Fig.2.9 detalle H. Anexo 1) a través de todo el período de ensayo.
Posteriormente se determina la penetración de la aguja de 1 mm, en ese momento y
durante los 15 min posteriores. Para el ensayo de penetración, baje la aguja de la barra
(Fig. 2.9 detalle D, barra B Anexo 1) hasta que descanse sobre la superficie de la
pasta de cemento.
Se aprieta el tornillo de fijación (Fig.2.9 detalle E, Anexo 1) y se fija el indicador (Fig. 2.9
detalle F, Anexo 1), junto a la parte superior de la escala, o se toma una lectura inicial.
Luego se libera rápidamente aflojando el tornillo de fijación, para permitir que la aguja
se hunda durante 30 s y mediante una lectura determinar la penetración. Si se observa
que la pasta de cemento está muy floja en las primeras lecturas, se retrasa la liberación
de la barra para evitar alguna flexión en la aguja. Las pruebas de penetración se hacen
a distancias de separación superiores a los 6.4 mm e inferiores a 9,5 mm del borde
interior del molde.
Finalmente se registran los resultados de todas las lecturas y por interpolación se
determina el tiempo para una penetración de 25 mm (tiempo de fraguado inicial).
El tiempo de fraguado final es cuando la aguja no se hunde visiblemente dentro de la
pasta de cemento.
Los tiempos de fraguado para el cemento P-350 analizado son:
Tiempo de fraguado inicial = 135 minutos
Tiempo de fraguado final = 3horas y 5 minutos
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
54
Los tiempos de fraguado inicial y final cumplen con las especificaciones de la NC-
95:2001 que establece un tiempo de fraguado inicial mínimo de 45 min y un tiempo de
fraguado final máximo de 10h.
2.7.5 Estabilidad de volumen por Le Chatelier
Según la NC 504:2007 la estabilidad de volumen se determina observando la
expansión volumétrica de la pasta de cemento de consistencia normal, indicada por el
desplazamiento relativo de dos agujas (Fig. 2.10 (a). Anexo 1).
La temperatura y las condiciones del laboratorio donde se prepara las probetas son las
mismas que las utilizadas en los ensayos de consistencia normal, fraguado inicial y
final; ambos ensayos se realizan paralelamente y para ello se utilizan los mismos
instrumentos.
Para el ensayo se emplea un molde de latón elástico, con agujas indicadoras y con
las dimensiones que se muestran en la (Figura 2.10 (a). Anexo 1) como refiere la
norma. Se confirma que la elasticidad del molde cumple con lo establecido, al
aplicársele una fuerza de 300g.
Se emplean además baño de maría y armario húmedo con temperatura de 23 ºC y
humedad relativa de 90 º aproximadamente.
El ensayo se realiza simultáneamente en dos probetas de la misma amasada de pasta
de cemento; se emplean además un par de placas de vidrio de diámetros superiores al
del aparto, las cuales fungen como tapa y base.
El aparato de Chatelier (aceitado con antelación), se coloca en una de las placas de
vidrio y se vierte la muestra amasada sin removerla ni compactarla, utilizando una regla
metálica para realizar el enrase.
Posteriormente se cubre el molde con la otra placa de vidrio ligeramente aceitada e
inmediatamente se coloca el aparato en el armario húmedo durante 24 horas a
(23 ± 1,7) ºC aproximadamente con humedad relativa mínima del 90%.
Luego al final del período de (24 ± 0,5) h, se mide la distancia (A) entre las puntas de
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
55
las agujas, con una precisión de 0,5 mm y se calienta entonces el molde gradualmente
hasta ebullición durante 30 min y se mantiene el baño a temperatura de ebullición
durante 3 h ± 5 min.
A continuación se deja enfriar el molde hasta (23 ± 1,7) ºC y se mide la distancia (C)
entre las puntas de las agujas, con una precisión de 0,5 mm. De cada probeta se
anotan las medidas A y C, y se calculan la diferencia C-A.
Finalmente se calcula la media de los dos valores de C-A, con una precisión de 0, 5
mm para obtener una correcta interpretación del posible riesgo de expansión tardía,
debido a la hidratación del óxido de calcio y magnesio libres.
El resultado de este ensayo para el cemento P-350 analizado es de 1.16 mm de
estabilidad volumétrica y cumple con la NC-95:2001 que establece, 10mm como
máximo.
2.7.6 Densidad
La NC 523:2007 refiere que la densidad del cemento hidráulico, es definida como la
masa de la unidad de volumen del sólido. Su utilidad particular está en relación con el
diseño y control de las mezclas de hormigón.
Para la realización del ensayo se emplean los siguientes instrumentos y soluciones:
frasco de Le Chatelier (Fig. 2.11, a. Anexo 1), baño de María (Fig. 2.11, b. Anexo 1) y
kerosén libre de agua.
Para determinar la densidad se llena el frasco entre 0 mL y 1 mL en el segmento
delgado que tiene en la parte inferior y se registra la primera lectura después de haber
sumergido el frasco en el baño de agua.
Luego se pesan 64g de cemento aproximadamente y se vierten en el frasco, una vez
realizado se gira el frasco con movimientos circulares para eliminar las burbujas de aire
dentro del recipiente y se toma lectura, después de sumergir el frasco en el Baño de
María.
La diferencia entre las lecturas inicial y final representa el volumen de líquido
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
56
desplazado por la masa del cemento usado.
La densidad del cemento se calcula de acuerdo a la fórmula siguiente:
(13)
Dónde:
: Densidad del cemento
Mc: Masa del cemento (g).
Vd: Volumen desplazado por la masa de cemento, (cm3).
La densidad de cemento P-350 analizado es de 3.11 g/cm3.
2.7.7 Ensayos mecánicos
Según la NC-506: 2013, el método comprende la determinación de las resistencias a
compresión y opcionalmente a flexión de probetas prismáticas, de dimensiones
normalizadas (40 mm x 40 mm x 160 mm).
El mortero elaborado es de tipo seco, con una parte de cemento y tres de Arena Natural
Silícea de granos redondeados, y una relación agua/cemento equivalente a 0.5. El
molde que contiene las probetas de tres compartimentos de dimensiones
anteriormente mencionadas (Fig. 2.12. Anexo 1), se conserva en atmósfera húmeda
durante 24 horas, y las probetas desmoldadas se sumergen inmediatamente en
agua hasta el momento de los ensayos de resistencia.
La compactadora empleada (Fig. 2.13 Anexo 1), cumple con los requisitos de la NC
506:2013, así como la mezcladora utilizada (Fig. 2.8. a).Anexo 1).
A la edad de 7 y 28 días, las probetas se retiran de su medio de conservación
húmedo, se rompen en dos mitades y cada mitad se somete al ensayo de resistencia a
compresión. El local de ensayo y las condiciones ambientales son las mismas que las
empleadas en los ensayos físicos del cemento. El método de cálculo expone los pasos
para determinar la resistencia a compresión. La resistencia a flexión no se tiene en
cuenta en este caso pues, según la norma es opcional.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
57
La resistencia a compresión Rc, se calcula mediante la siguiente fórmula:
(14)
Dónde:
Rc: Resistencia a compresión (MPa).
1600= (40x40) mm2 es la superficie de los platos o placas auxiliares.
Fc: es la carga máxima de rotura (en N)
1 N/mm2= 1MPa
Los resultados de resistencia a compresión del cemento analizado (Tabla 2.7.7), a 7 y
28 días cumplen con lo establecido por la NC-95:2001:
Tabla 2.7.7 Resultados de resistencia a compresión del cemento P-350.
Edad del Ensayo (días)
Resistencia a la compresión en MPa
1 2 3 4 5 6 X
7 31.8 31.6 31.5 30.9 30.9 31.2 31.3
28 39.2 39.1 40.1 39.9 39.8 39.9 39.7
X: resistencia media
2.8 COMBINACIÓN DE ÁRIDOS MEDIANTE EL MÉTODO DEL RECTÁNGULO.
Teniendo en cuenta las granulometrías presentadas tanto por la arena natural y la
siderúrgica, se decidió utilizar este método gráfico, para obtener un árido combinado
con un comportamiento granulométrico lo más cercano posible a lo especificado por la
NC-251:2005 para áridos finos (Tabla 2.1 Anexo 2).
Para ello se resumió en una tabla (Tabla 2.8) las granulometrías de los áridos así como
las especificaciones que deben cumplir. Luego utilizando el programa AutoCAD se
construyó un cuadrado (Fig. 2.14), cuyos lados verticales se graduaron en % pasado
por cada material de manera ascendente de 0 a 100. Los lados horizontales también
graduados en % representan la proporción en que se pudieran combinar los áridos
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
58
involucrados en el análisis, de forma tal que valores para cada combinación deben
sumar 100%.
El objetivo es ir delimitando una zona dentro de la cual, tengamos una serie de posibles
combinaciones que cualquiera de ellas pudiera cumplir con las especificaciones. Para
ello primero, en las escalas verticales se marcan los valores de porciento pasado de los
dos áridos por cada tamiz y se unen con una recta, en este caso son rectas de color
azul.
Una vez hecho esto, se trabaja con los porcientos pasados indicados por las
especificaciones. Se traza una recta horizontal que pasa por los % pasados que indica
la norma, en este caso rectas de color rojo y luego mediante análisis se delimita la zona
donde se pueden tener las combinaciones adecuadas. (Rectas de color amarillo)
Ejemplo: Por el tamiz #4 el % pasado de arena es de 98% y el de escoria 99%, se
marca estos valores y se unen con una recta. En el caso del tamiz #4 se especifica por
norma un rango de 90 a 100% pasado, entonces se trazan rectas de color rojo
horizontales que pasan por 90 y 100%. Como la recta azul se encuentra entre las dos
rectas rojas esto quiere decir que cualquier combinación en % de estos dos áridos
cumplirá con lo establecido por la norma. Así se realiza este procedimiento para cada
uno de los tamices.
Tabla 2.8 Combinación de áridos por el método del rectángulo.
Tamices normados % pasado Especificaciones de
% pasado Arena de escoria Arena natural
⅜ 100 100 100
4 99 98 90-100
8 54 68 70-100
16 35 43 45-80
30 24 22 25-60
50 18 10 10-30
100 15 4 2-10
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
59
Figura 2.14 Método del rectángulo para combinar áridos.
Como resultado de la aplicación de este método se obtuvieron las posibles
combinaciones de escoria y arena para analizar:
- 20% de escoria y 80% de arena
- 25% de escoria y 75% de arena
- 30% de escoria y 70% de arena
- 40% de escoria y 60% de arena
Al realizarle a estas combinaciones el análisis granulométrico (Tablas 2.8.1 a, b, c, d
Anexo 2) y este ser comparado con las especificaciones de la NC-251:2005, se obtiene
como resultado que la combinación de, 20% de escoria y 80% de arena natural, es la
más cercana a las exigencias de la norma (Fig. 2.14.1 a) Anexo 1).
Por lo tanto se decide utilizar esta proporción de escoria y arena en el diseño de los
hormigones.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
60
2.9 DISEÑO DE LAS DOSIFICACIONES DE HORMIGÓN MEDIANTE EL MÉTODO O´REILLY.
Para el diseño de las dosificaciones de hormigón, primero se determina la relación
optima de áridos finos y gruesos, eligiendo la que tenga menor porciento de vacío. En
este caso una relación de (20% de escoria y 80% de arena) y gravilla.
El primer paso para esto es calcular el peso unitario compactado de las siguientes
mezclas (PUCm) de gravilla y arena más escoria (A+E).
- PUCm (35% A+E: 65% Gravilla)=1700 Kg/M3
- PUCm (40% A+E: 60% Gravilla)=1718 Kg/M3
- PUCm (45% A+E: 55% Gravilla)=1718 Kg/M3
- PUCm (50% A+E: 50% Gravilla)=1727 Kg/M3
- PUCm (55% A+E: 45% Gravilla)=1736 Kg/M3
- PUCm (60% A+E: 40% Gravilla)=1746 Kg/M3
El segundo paso es calcular el peso específico corriente de las mezclas por la ecuación
#3 capítulo 1.
100
%*%* gPECgAPECaPEC m
- PECm (20% de escoria y 80% de arena)=2662 Kg/M3
- PECm (35% A+E: 65% Gravilla)= 2628 Kg/M3
- PECm (40% A+E: 60% Gravilla)= 2631 Kg/M3
- PECm (45% A+E: 55% Gravilla)= 2633 Kg/M3
- PECm (50% A+E: 50% Gravilla)= 2636 Kg/M3
- PECm (55% A+E: 45% Gravilla)= 2639 Kg/M3
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
61
- PECm (60% A+E: 40% Gravilla)= 2641 Kg/M3
El tercer y último paso es calcular el porciento de vacío para cada una de las mezclas,
por la ecuación #4 capítulo 1.
100* vacíode PorcentajePECm
PUCmPECm
- % vacío (35% A+E: 65% Gravilla)= 35.3%
- % vacío (40% A+E: 60% Gravilla)= 34.8%
- % vacío (45% A+E: 55% Gravilla)= 34.8%
- % vacío (50% A+E: 50% Gravilla)= 34.5%
- % vacío (55% A+E: 45% Gravilla)= 34.2%
- % vacío (60% A+E: 40% Gravilla)= 33.9%
Teniendo en cuenta los porcientos de vacío se escogieron las mezclas:
- 60% A+E: 40% Gravilla
- 55% A+E: 45% Gravilla
- 45% A+E: 55% Gravilla
Con las relaciones de áridos finos y gruesos definidos, la cantidad de agua se definió
por criterios de experiencia para un asentamiento aproximado de 9 cm.
Luego se determina la característica A de los áridos, partiendo de los resultaos
obtenidos de una dosificación con una relación agua cemento de w = 0.61, cantidad de
agua inicial (a= 215L), 350Kg de cemento, una resistencia a compresión a los 28 días
de 24MPa y una resistencia de cemento a 28 días de 350MPa.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
62
Para un asentamiento de 9 cm en la tabla 1 del capítulo1: M1=4.0823 y M2=0.3472, con
una relación agua-cemento W = 0.61 en la tabla 2 capítulo 2 se busca V = 0.2147 y se
calcula la característica A de los áridos por la formula # 5 del capítulo 1.
5604.03472.02147.0*0823.4350
240
* 21 MVMR
RA
c
h
Con la característica A de los áridos se corrige la cantidad de cemento para obtener
una resistencia supuesta de 20 MPa, calculando V por la ecuación # 6 capítulo 1.
1647.00823.4
3472.05604.0*350
200
*
1
2
M
MAR
R
V c
h
Con el nuevo valor de V se entra en la tabla 2 del capítulo 1 y se obtiene un W = 0.67.
Como entonces .
a: cantidad de agua en litros , c :cantidad de cemento necesario en Kg
Con la cantidad de agua y cemento necesarios para obtener la resistencia planificada,
se procede a calcular la cantidad de arena y grava para 1m3 de del hormigón,
considerando que la suma de los volúmenes absolutos de los materiales componentes
es igual a 1000L por lo que:
(15)
(15.1)
Siendo:
C: Cantidad de cemento en peso.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
63
C : Peso específico del cemento.
Var: volumen de los áridos (arena y grava) en litros.
Vag: volumen del agua en litros.
Vvacío: Volumen de poros en litros, se supone que para hormigones normales
constituyen el 2%, por el aire atrapado en el proceso de manipulación.
Sustituyendo en la ecuación 15.1:
C=321Kg, Vag=215L, C =3.11g/cm3, Vvacío=
El peso de los áridos combinados se despeja de la ecuación siguiente:
(16)
%A+E: Porciento de arena más escoria en la mezcla.
%G: Porciento de grava en la mezcla.
Var: Volumen de los áridos= 661.78L.
Par: Peso total de los áridos.
a : Peso específico de la mezcla de arena y escoria=2.66 g/cm3.
g : Peso específico de la grava=2.61 g/cm3.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
64
Como se conocen los pesos específicos de los materiales y el volumen de los áridos, se
varían los porcentajes de las mezclas de los áridos en la ecuación #16 para obtener el
peso combinado de cada una.
2.9.1 Dosificaciones gravimétricas.
Con la combinación de 45% A+E y 55% gravilla se obtuvo un peso total de los áridos de
1741.98 Kg para 1m3 de hormigón, esto da una dosificación de:
- Cemento= 321Kg
- Agua= 215L
- Arena más escoria (A+E)= 1741.98 Kg 0.45 = 783.9 Kg
- Grava =1741.98 Kg 0.55 = 958.1Kg
Combinación de 60% A+E y 40% gravilla, peso total de los áridos=1746.95Kg.
- Cemento = 321Kg
- Agua = 215 L
- Arena más escoria (A+E) = 1746.95 Kg 0.60 =1048.17 Kg
- Grava =1746.95 Kg 0.40 = 698.78Kg
Combinación de 55% A+E y 45% gravilla, peso total de los áridos=1745.29 Kg.
- Cemento = 321Kg
- Agua = 215 L
- Arena más escoria (A+E) = 1745.29 Kg 0.55 = 959.9 Kg
- Grava =1745.29 Kg 0.45 = 785.38 Kg
2.10 ELABORACIÓN DE LA MUESTRA PARA EL DISEÑO DE HORMIGONES DE 20.0 MPA Y
DETERMINACIÓN DEL ASENTAMIENTO POR EL CONO DE ABRAMS.
Para la confección de las mezclas se emplea una hormigonera de 80L de capacidad
aproximadamente. Se calcula la cantidad de material necesario para 40dm3 en cada
dosificación, que equivalen a seis probetas.
Primero se deposita el árido grueso, luego el fino y la escoria, se le agrega
aproximadamente la mitad del agua, se mezclan los materiales por 30s y
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
65
posteriormente se le adiciona el cemento y el resto del agua, mezclando todo
nuevamente por un tiempo de dos minutos, dejándolo reposar un minuto cubriendo la
entrada de la hormigonera con un nylon. (E. Días; J. Acevedo; E. Martínez 1986)
Para determinar el asentamiento se emplea el Cono de Abrams. Según la NC -174:
2002 este método de ensayo se basa en determinar la consistencia del hormigón
fresco, a través de la comprobación de la disminución de la altura de una porción de la
mezcla fresca que ha sido moldeada y compactada en un recipiente en forma de cono
tunco. Este utensilio tiene una la altura de 30 cm, construido con chapa galvanizada, de
1.5 mm de grosor, con una base inferior de 20 cm de diámetro y una en la parte
superior de 10 cm, estas deben ser paralelas entre sí, la superficie interior debe ser
perfectamente lisa, y la exterior a 10 cm de la cara superior tendrá dos asas simétricas
una a cada lado (Fig. 2.15 Anexo1). Además se utiliza una varilla de compactación, lisa
de acero de sección circular, con un diámetro de 15.8 mm y longitud de 60 cm, con el
extremo redondeado.
Para realizar el ensayo el interior del molde debe estar completamente limpio, sin restos
de hormigón, este se humedecerá y se colocara en una superficie horizontal, plana y
nivelada previamente humedecida y no absorbente.
Se llena el molde rápidamente con hormigón en tres capas, cada una aproximadamente
un tercio del volumen del cono. Se compacta cada capa con veinticinco golpes cada
una con la varilla de compactación. Después de compactada la capa superior, se
enrasa con la varilla haciéndola rodar por el borde superior del molde.
Posterior mente, se extrae el molde rápidamente y con cuidado, con un movimiento
vertical firme, sin que se produzcan movimientos laterales o torsión. Inmediatamente
luego de la extracción este se colocará junto a la muestra de hormigón y se medirá el
asentamiento con una cinta métrica, determinando la diferencia entre la altura del molde
y la de un punto promedio de la muestra (Fig. 2.16 Anexo 1).
Para la combinación de 45% de arena más escoria y 55% de gravilla, con la cantidad
de agua empleada en proporción a 215 L, el asentamiento fue de 120 mm lo que
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
66
clasifica según la NC-120:204 (Tabla. 2.9 Anexo 2) como una mezcla blanda y se pasa
de lo planificado (90 mm, mezcla plástica).
Para la combinación de 60% de arena más escoria y 40% de gravilla, con la cantidad
de agua empleada en proporción a 215 L, el asentamiento fue de 50 mm lo que
clasifica según la NC-120:204(Tabla. 2.9 Anexo 2) como una mezcla plástica.
Para la combinación de 55% de arena más escoria y 45% de gravilla, con la cantidad
de agua empleada en proporción a 215 L, el asentamiento fue de 20 mm lo que clasifica
según la NC-120:204 (Tabla. 2.9 Anexo 2) como una mezcla seca, para lograr el
asentamiento de diseño (90 mm) se le aumentó a la mezcla 1.25L de agua, lo que
repercutiría en la dosificación original un incremento de 31litros.
2.11 ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS PARA ENSAYOS.
Para la elaboración de las probetas se siguió lo especificado en la NC-221:2002. Se
utilizaron moldes metálicos de forma cilíndrica con un diámetro de 15 cm y altura de 30
cm. Previamente al llenado, los moldes fueron limpiados e impregnados con grasa para
facilitar el desmolde. El lugar del moldeo fue a la sombra, en una superficie plana y
horizontal.
Cada molde fue llenado con tres capas, cada una de aproximadamente un tercio de su
volumen, estas fueron compactadas con una varilla de compactación aplicándole
veinticinco golpes a cada una (Fig. 2.17 Anexo 1).
Después de que las capas superiores fueron compactadas se enrasaron con la varilla
haciéndola rodar por el borde superior del molde. El acabado de la superficie se realizó
con una regla metálica. Se desencofró las probetas a las 24 horas, (Fig. 2.18 Anexo 1),
luego se trasladaron al tanque de curado en el que permanecieron hasta la edad de los
ensayos.
2.12 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN AXIAL.
La resistencia a la compresión simple (Tabla 2.11), que se emplea en el diseño y
cálculo de elementos estructurales, es determinada por los resultados de los ensayos
de control de las probetas normalizadas, sometidas a compresión axial mediante una
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
67
prensa hidráulica y se define por la expresión estadística de resistencia característica.
Para este ensayo se analizaron tres probetas de cada tipo a la edad de 7 y 28 días.
Tabla 2.11 Resistencia a compresión de las probetas cilíndricas.
Tipos de probetas.
7 días 28 días
R´b1 R´b2 R´b3 R´bs R´b1 R´b2 R´b3 R´bs
P-1 24.9 22.6 19.8 22.4 29.7 28.3 25.5 27.8
P-2 22.1 21.5 20.9 21.5 26 25.5 24.9 25.5
P-3 22.8 22.6 22.1 22.5 29.4 28.3 27.2 28.3
R´bi: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas (MPa).
R´bs: Resistencia a compresión media de las series de probetas (MPa).
Las probetas fueron marcadas según la combinación de áridos empleada para su
elaboración:
- Muestra P-1: 45% de arena más escoria y 55% de gravilla.
- Muestra P-2: 60% de arena más escoria y 40% de gravilla.
- Muestra P-3: 55% de arena más escoria y 45% de gravilla.
De forma general en la tabla 2.12 se hace un resumen del estudio de dosificación
realizado en la investigación. En la misma se plasman las dosificaciones gravimétricas,
volumétricas y las dosificaciones en proporción para el hormigón de 20 MPa.
Tabla 2.12 Dosificación para hormigones de 20.0 MPa con sustitución de 20% de árido
fino natural por escoria siderúrgica de la fábrica ACINOX de Las Tunas.
Combinación R´bk Esp.
(MPa)
Marca del
cemento
Asenta-
miento (cm)
Dosificación Cemento
Arena - Escoria
Piedra Agua
45% arena más escoria y
55% de piedra
20.0 P-350 12 Dosificación gravimétrica
(Kg/m3)
321 783.9 958.1 215
Dosificación volumétrica
(m3/m
3)
0.103 0.295 0.367 0.215
Dosificación en proporción
1 2.9 3.6 0.67
60% arena más escoria y
20.0 P-350 5 Dosificación gravimétrica
321 1048.17 698.78 215
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
68
40% de piedra (Kg/m3)
Dosificación volumétrica (m
3)
0.103 0.394 0.268 0.215
Dosificación en proporción
1 3.80 2.60 0.67
55% arena más escoria y 45%
de piedra
20.0 P-350 9 Dosificación gravimétricas
(Kg/m3)
321 959.9 785.38 246
Dosificación volumétrica (m
3)
0.103 0.361 0.301 0.246
Dosificación en proporción
1 3.50 2.90 0.77
CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPÍTULO
A partir del análisis de los resultados podemos concluir:
1. Los estudios fisicoquímicos demuestran que el comportamiento de la escoria
negra procedente de la fábrica productora de acero ACINOX de Las Tunas,
tratadas como áridos fino, comparado con las normas cubanas, es similar al de
los áridos naturales, teniendo un peso específico superior, granulometría
continua, menor porciento de absorción, un módulo de finura acorde a lo
establecido, no presentan partículas de arcillas, el porciento de material que
pasa a través del tamiz 0.074 mm (No.200) se encuentra dentro los limites
permisible y la concentración de metales pesados están por debajo de los
límites de la legislación europea.
2. Se considera que la aplicación de este material es variada, lo que permite
catalogarlas como materia prima alternativa para la elaboración de hormigones
estructurales.
Capítulo II: Caracterización De Los Materiales Y Diseño De Dosificaciones
69
3. Mediante el método para combinar áridos; del rectángulo, se obtuvieron cuatro
combinaciones de escoria y arena, a estas se les realizó el análisis
granulométrico comparándolo con las especificaciones de la NC-251:2005,
obteniéndose como resultado que la combinación de 20% de escoria y 80% de
arena natural, es la que más cercana a las exigencias de la norma, por lo que se
decidió utilizarla en el diseño de los hormigones.
4. Se proyectó un hormigón, para obtener un valor de resistencia de 20.0 MPa, en
el cual utilizando el método experimental de Vitervo O´Reilly se seleccionaron
tres diseños de combinaciones de áridos finos y gruesos, con el fin de comprobar
el comportamiento de la escoria en diferentes cantidades dentro del hormigón.
5. Las tres muestras ensayadas a compresión axial, a los siete y veintiocho días,
presentaron resistencias equivalentes y superiores a lo proyectado para las
edades ensayadas, llegando a la conclusión que las tres combinaciones son
válidas para su utilización.
Conclusiones Generales
70
CONCLUSIONES GENERALES
Como resultado de esta investigación, pudo arribarse a las conclusiones
generales siguientes:
1. Los estudios realizados a la escoria siderúrgica procedente de la planta ACINOX
de Las Tunas siendo tratadas como arenas, indican que estas presentan
características positivas para ser usadas como agregado o sustitutos de los
áridos finos en hormigones de hasta 20.0 MPa.
2. Se logra demostrar con resultados efectivos que las tres muestras de mezclas de
hormigón analizadas presentan adecuada resistencia ante los esfuerzos a
compresión, alcanzando valores entre 21.5 y 22.5 MPa a 7 días y 28.3 MPa a
los 28 días.
3. La aplicación de las escorias en hormigones reduce el consumo de árido fino en
un 20 %, esto propicia un impacto económico positivo en las obras que requieren
elementos estructurales de hasta 20.0 MPa.
4. Con la propuesta de utilización de la escoria negra de ACINOX las Tunas para la
producción de hormigones en la construcción se reduce el daño medio ambiental
provocado por este elemento, además de ser una alternativa para la fabricación
de hormigones en la construcción.
Recomendaciones
71
RECOMENDACIONES
1. Estudiar el comportamiento de la escoria en hormigones estructurales de
resistencia superiores a 20.0 MPa y de elevado desempeño.
2. Analizar la posibilidad de utilización de una proporción mayor a un 20% de
escorias siderúrgicas como sustituto de árido fino y como árido grueso en
hormigones estructurales.
3. Generalizar el estudio del comportamiento de las escorias siderúrgicas con
áridos naturales de otras canteras de la provincia de Holguín y Las Tunas.
4. Validar las propuestas de dosificaciones presentadas, dentro de la producción de
hormigón de 20 MPa en las diferentes empresas constructoras del MICONS.
Referencias bibliográficas
72
REFERENCIAS BIBLOGRÁFICAS
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Bibliografía
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Normalización y Certificación (AENOR).Madrid.
52. VI Congreso del Partido Comunista de Cuba: (2011). Lineamientos de la política
económica y social del Partido y la Revolución.
Anexos
79
ANEXOS
ANEXO 1
Figura 1 Esquema general de funcionamiento del Horno alto.
Figura 2 Esquema general de horno de arco eléctrico. (IHOBE, S.A; 1999).
Anexos
80
Figura 2.1 Relleno sanitario.
Figura 2.2 Toma de muestras.
Anexos
81
Figura 2.4 Determinación del material más fino que el tamiz de 0,074 mm (No. 200)
Figura 2.5 Determinación de pesos específicos y absorción de agua.
Anexos
82
a) b) c)
Figura 2.8 Amasadora Epicíclica con sus accesorios.
a) Mezcladora b) Paleta c) Recipiente metálico
Figura 2.9 Aparato Vicat dispuesto para la determinación de los tiempos de fraguado.
Anexos
83
a)
b)
c)
Anexos
84
Figura 2.10 Aparato de Le Chatelier para la determinación de la estabilidad de
volumen.
a) Aparato de Le Chatelier
b) Disposición de la agujas para el moldeo.
c) Ensayo de estabilidad de volumen
a) Frasco de Le Chatelier b) Baño de María
Figura 2.11 Determinación de la densidad del cemento.
Anexos
85
Figura 2.12 Molde normalizado para pruebas mecánicas de cemento.
Figura 2.13 Compactadora.
Anexos
86
a)
b)
Anexos
87
c)
d)
Anexos
88
Figura 2.14.1 Comportamiento de las distintas combinaciones de escoria siderúrgica más arena de Candelaria.
a) 20% de escoria y 80% de arena
b) 25% de escoria y 75% de arena
c) 30% de escoria y 70% de arena
d) 40% de escoria y 60% de arena
Figura 2.15 Cono de Abrams.
Anexos
89
Figura 2.16 Medición del asentamiento por el cono de Abrams.
Figura 2.17 Elaboración de las probetas.
Anexos
90
Figura 2.18 Marcado de las probetas.
Anexos
91
ANEXO 2
Tabla 1.4.1 Composición química de escorias de alto Horno.
Ca O 38 – 42 %
SiO2 32 – 37 %
MgO 7 – 9 %
Al2 O3 10 – 14 %
S <1 %
FeO 0,4 – 0,8 %
MnO 0,2 – 0,6 %
TiO2 0,3 – 0,5 %
Índice de basicidad (Ib) ≤ 1,2 %
Índice basicidad simple (Ibs) ≤ 1,3 %
Producción de escoria arrabio 306 kg/t de arrabio
Tabla 1.4.2 Composición química media de las escorias LD
Tabla 1.4.3.1 Componentes representativos de las escorias negras.
Ca O Si O Fe O Mg O Cr O Ti O
(27-37%) (11-25%) (3-25%) (4-11%) (0.6-4%) (0.25-1.6%)
Tabla 1.4.3.2 Composición de las escorias blancas de acería en España.
Anexos
92
Tabla 2.1 Limites granulométricos para áridos finos empleados en hormigones hidráulicos.
Tabla 2.6.2 Límites granulométricos para áridos gruesos de fracción 25-5mm empleados en hormigones hidráulicos.
Limites nominales de la fracción (mm)
Abertura de malla de tamices normalizados (mm)
% Pasado
25 - 5
38.1 100
25.4 90-100
12.7 25-60
4.76 0-10
2.38 0-5
Tabla 2.8.1 a) Análisis granulométrico de combinación 20% escoria y 80% arena.
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
Tamiz mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 8 8 2 98
8 2.38 154 162 32 66
16 1.19 135 297 59 41
30 0.59 94 391 78 22
50 0.295 57 448 90 10
100 0.149 25 473 95 5
F
27 500
Anexos
93
Tabla 2.8.1 b) Análisis granulométrico de combinación 25% escoria y 75% arena.
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
Tamiz mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 10 10 2 98
8 2.38 167 177 35 63
16 1.19 141 318 64 36
30 0.59 89 407 81 19
50 0.295 42 449 90 10
100 0.149 20 469 94 6
F
31 500
Tabla 2.8.1 c) Análisis granulométrico de combinación 30% escoria y 70% arena.
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
Tamiz mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 12 12 2 98
8 2.38 169 181 36 61
16 1.19 123 304 61 39
30 0.59 80 384 77 23
50 0.295 44 428 86 14
100 0.149 29 457 91 9
F 43 500
Tabla 2.8.1 d) Análisis granulométrico de combinación 40% escoria y 60% arena.
Tamiz Peso retenido Peso retenido % Retenido %
Tamiz mm Parcial Acumulativo Acumulativo Pasado
⅜ 9.52 0 0 0 100
4 4.76 2 2 0 100
8 2.38 187 189 38 62
16 1.19 123 312 62 38
30 0.59 87 399 80 20
50 0.295 47 446 89 11
100 0.149 23 469 94 6
F 31 500
Anexos
94
Tabla 2.9 Tipos de asentamiento por el Cono de Abrams
ANEXO 3
Cálculo del peso volumétrico
Calibración del recipiente
Se llena el recipiente con agua a temperatura ambiente y se tapa con una pieza de
vidrio perfectamente plano para eliminar las burbujas y el exceso de agua.
Luego se determina el peso neto del agua en el recipiente, con exactitud de + / - 0.1 %.
Posteriormente se mide la temperatura del agua y se determina su peso volumétrico
utilizando los valores indicados en la Tabla 2. Variación del peso volumétrico del agua
con la temperatura. En caso de ser necesario, se interpola.
Finalmente se calcula el factor de calibración o el inverso del volumen del recipiente (1 /
V) dividiendo el peso volumétrico del agua entre el peso de agua necesario para llenar
el recipiente.
Procedimiento
Se determinara el peso neto del árido contenido en el recipiente, luego se obtiene el
peso volumétrico (suelto o compactado), multiplicando el peso neto por el factor de
calibración calculado según lo explicado en el apartado Calibración del recipiente,
expresando el resultado en kg/ m3. Los resultados se aproximan hasta la milésima, no
difieren en más de 1%.
Anexos
95
Tabla1.Dimensiones de los recipientes recomendados para el ensayo (NC 181:2002)
Tabla 2. Variación del peso volumétrico del agua con la temperatura (NC 181:2002)
ANEXO 3.1
Peso específico corriente
El peso específico de las partículas saturadas de agua y con la superficie seca,
incluyendo en el volumen los poros accesibles al agua y los no accesibles, se calcula
aplicando la formula siguiente:
PEC: Peso específico corriente.
A: Peso en gramos de la muestra secada en la estufa.
B: Peso en gramos de la muestra saturada con superficie seca.
C: Peso en gramos del frasco lleno con agua.
Anexos
96
C1: Peso en gramos del frasco con la muestra y agua hasta la marca del enrase.
Peso específico saturado
El peso específico de las partículas saturadas de agua y con la superficie seca,
incluyendo en el volumen los poros accesibles al agua y los no accesibles, se calcula
aplicando la formula siguiente:
Dónde:
PES: Peso específico saturado.
B: Peso en gramos de la muestra saturada con superficie seca.
C: Peso en gramos del frasco lleno con agua.
C1: Peso en gramos del frasco con la muestra y agua hasta la marca del enrase.
Peso específico aparente
El peso específico de las partículas desecadas incluyendo en el volumen sólo los poros
inaccesibles al agua, se calcula aplicando la formula siguiente:
Dónde:
Peso específico aparente.
A: Peso en gramos de la muestra secada en la estufa.
C: Peso en gramos del frasco lleno con agua.
C1: Peso en gramos del frasco con la muestra y agua hasta la marca del enrase.
El porciento de agua absorbida por la arena seca, se calculará aplicando la fórmula
siguiente:
Anexos
97
Dónde:
%: porciento de agua absorbida.
A: Peso en gramos de la muestra secada en la estufa.
B: Peso en gramos de la muestra saturada con superficie seca.
ANEXO 3.2
Método de cálculo de pesos específicos para áridos gruesos.
Peso específico corriente
A =Peso en el aire de la muestra seca en la estufa (g)
B= Peso en el aire de la muestra saturada y superficialmente seca (g)
C= Peso en el agua de la muestra saturada (g)
Peso específico saturado
B= Peso en el aire de la muestra saturada y superficialmente seca (g)
C= Peso en el agua de la muestra saturada (g)
Peso específico aparenta
A =Peso en el aire de la muestra seca en la estufa (g)
C= Peso en el agua de la muestra saturada (g)
Absorción de agua
B= Peso en el aire de la muestra saturada y superficialmente seca (g)
A = Peso en el aire de la muestra seca en la estufa (g)
Anexos
98
ANEXO 4
Análisis de Eco toxicidad de las escorias de la Empresa Siderúrgica José Martí
Método experimental de análisis de lixiviación y toxicidad.
El método de lixiviación está basado en la disolución de una muestra solida con ácido
acético 0,5 M durante 24horas.
Los resultados del análisis de la toxicidad de las escorias (blanca y negra) mediante un
test de lixiviación efectuado en el laboratorio del CENIM se puede observar en la Tabla
6.
Tabla 6 Resultados del análisis de la toxicidad de las escorias (blanca y negra).
Para conocer los límites máximos permisibles de elementos que son dañinos al medio
ambiente se consultó con la Legislación Europea actual y se compararon con los
resultados obtenidos en nuestra prueba de Toxicidad. La Tabla 7 muestra los límites
máximos de metales pesados en licores lixiviados de algunos elementos según esta
Legislación Europea (CEE).
Tabla 7. Límites máximos permisibles según la Legislación Europea (CEE) actual
Anexos
99
Podemos observar que los resultados de la prueba de toxicidad son considerablemente
inferiores a los límites permisibles según esta Legislación (CEE), lo que indica que las
escorias nacionales son medioambientalmente aceptables de utilizar sin que ello
implique una afectación al medio ambiente (Solange, M.; 2011).
Este factor es muy importante y prioritario en la situación actual, más cuando en nuestro
caso proyectamos la posible utilización de las escorias del proceso de HAE-HC, de
forma general en ciertas aplicaciones, lo cual deberá hacerse en condiciones medio
ambientalmente seguras.