Srta. Analía Maricela Gallegos Peñarreta*, Ing. Pablo Caiza Sánchez**   

Ingeniería Civil, Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE 

*Egresada: amgallegos1@espe.edu.ec 

**Docente: pecaiza1@espe.edu.ec 

RESUMEN 

Este artículo consiste en encontrar una dosificación de hormigón liviano utilizando agregados livianos de origen volcánico como es la piedra pómez y chasqui blanco, obtenido en la provincia de Cotopaxi sector Lasso, con arena obtenida en la Provincia de Pichincha, sector Píntag. La caracterización de cada material utilizado para la dosificación del hormigón, así como el curado de cilindros se realizó en el laboratorio de la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, cuyas resistencias, fluctuaron entre los 60kg/cm2 hasta 180 kg/cm2. Se propone un modelo de panel prefabricado que tiene como propósito reemplazar la mampostería convencional y efectivizar el trabajo logrando reducir tiempos de construcción. 

Palabras claves: paneles livianos, hormigón liviano, dosificación, agregado liviano, piedra pómez. 

  1. INTRODUCCIÓN  

Ecuador es un país ubicado en una zona de gran peligro sísmico, debido a la subducción de la placa Nazca bajo la placa Sudamericana. 

Por este motivo es de gran importancia reducir en lo posible las cargas sísmicas que afectan a las estructuras tanto en edificios, puentes, entre otras. Puesto que estas cargas son inerciales, una manera efectiva de hacerlo es disminuir el peso de la estructura. 

En el Ecuador existen grandes depósitos de materiales volcánicos que ayudan en este propósito.   

Este artículo trata sobre tres alternativas para el diseño de mezcla de hormigón liviano. Se denominará a las alternativas con letras del abecedario (A, B y C), en la opción A se sustituirá totalmente el agregado grueso por agregado liviano (piedra pómez), para el caso B se sustituirá un porcentaje de agregado grueso por agregado liviano (piedra pómez+30% de grava) y finalmente para la opción C se sustituirá nuevamente el agregado grueso por agregado liviano similar a la piedra pómez (chasqui blanco). 

Todos los ensayos en los que se basa este artículo se realizaron en la Universidad de las Fuerzas Armadas (ESPE), como es el ensayo de compresión en cilindros de hormigón, el curado de los mismos, pesos específicos, capacidad de absorción, granulometría, entre otros, que se necesitan para determinar las características de los materiales a intervenir en la mezcla.  

Luego de obtener la mezcla óptima, se intenta presentar un modelo de panel aligerado mismo que puede ser modificado según las necesidades de obra o por parte del constructor. 

  1. DISEÑO DE LA MEZCLA DE HORMIGÓN SIMPLE 

El concreto (hormigón) estructural de peso liviano se define en ACI (213R, 1987), como aquel que posee una densidad en situ (peso unitario) en el orden de 90 a 115 lb/pie³ (1440 a 1840 kg/m³) en comparación con el concreto de peso normal que presenta una densidad en el rango de 140 a 150 lb/pie³ (2240 a 2400 kg/m³). 

Como ya se mencionó en esta investigación se intenta conseguir un hormigón liviano que considera el reemplazo parcial de la fracción gruesa o total del árido normal por otro de menor densidad.  

El hormigón con árido grueso liviano y arena de densidad normal puede ser conceptualizado como un material de dos fases, una soportante constituida por el mortero de peso normal (cemento, agua y arena normal) y otra fase liviana formada por el árido de baja densidad. La resistencia mecánica y rigidez del hormigón dependerán de la resistencia, rigidez y proporción de cada una de las fases constituyentes.     

El concepto de las dos fases puede ser aplicado porque la interface o zona de  transición no sería un factor limitante de las propiedades en este tipo de hormigón, puesto que el desarrollo inicial de las fisuras no se generaría alrededor del agregado como muestra la Figura 1 parte (b), el mecanismo de fisuras se daría de forma puntual a través del agregado de baja densidad como se muestra en la Figura 1 parte (a). 

 

Figura1. Ruptura de cilindros: Parte (a)                                                   Parte (b) 

Para iniciar la investigación y encontrar proporciones adecuadas se toma los valores sugeridos en la Tabla 1, misma que sirvió para empezar con las diferentes opciones de mezcla que se presenta en este artículo. 

Tabla 1. Estimación de cantidades de material para hormigón liviano 

Material  Requerimientos generales 
Cemento  250-420  kg/m³  para  17MPa 
251-420  kg/m³  para  21MPa 
252-420  kg/m³  para  28MPa 
253-420  kg/m³  para  35MPa 
Agua  180-300  kg/m³     
Aire introducido  4-8%  con   19mm   
5-9%  con   9,5mm 
Agregados  1,04 -1,19 m³/m³     
40 – 60%  Agregado fino   

Elaborado por: Analía Gallegos 

Fuente: Special concretes, Sídney Mindess concrete 

Para esta investigación se optó por el rango de cemento de 250 a 420 kg/m3 puesto que la resistencia que se necesita alcanzar es de 180kg/cm2, aproximadamente 17MPa. También se considera que el agregado fino ocupe un porcentaje de entre el 40 y 60% como sugiere la Tabla 1. 

Se presenta los resultados de resistencia y peso de probetas cilíndricas obtenidas usando material volcánico de las cercanías del volcán Cotopaxi. Los ensayos incluyen mezclas con diferentes porcentajes de roca pómez blanca y el uso de “chasqui”. Donde se aprecia que las mayores resistencias se obtienen con menor porcentaje de pómez blanca alcanzando una resistencia máxima de 90kg/cm2, mientras que con la roca chasqui se logra conseguir la resistencia requerida de 180kg/cm2. La reducción de peso respecto a probetas de hormigones convencionales va entre un 10 y 20% aproximadamente, para permitir reducciones de carga para la cimentación al momento de realizar el diseño estructural. 

2.1 OPCIÓN A: PIEDRA PÓMEZ + ARENA PESO NORMAL 

Luego de realizar 36 cilindros con diferentes proporciones se pudo constatar que la mejor mezcla es la que contiene 400kg/m3 de cemento y menor cantidad de agua posible sin afectar su trabajabilidad para lo que se trabajó con 180kg/m3. También se puede concluir y recomendar que para obtener un buen hormigón ya sea liviano o de peso normal se debe manejar una buena granulometría y un buen curado. Otra consideración importante para el hormigón liviano es la humedad y absorción del agregado liviano, ya que si no es adecuado, éste le puede quitar agua necesaria al cemento evitando la hidratación correcta en la mezcla. Por otro lado, si contiene mucha agua provocará la evaporación de la misma. El resultado de estas consideraciones es la reducción de la resistencia.  

Se presenta la Tabla 2 que indica las proporciones ensayadas con piedra pómez blanca. 

En la Tabla 2 se puede encontrar la cantidad de cemento, agregado fino y agregado grueso (liviano), los litros de agua y finalmente la resistencia obtenida de cada proporción aplicada en esta investigación. Donde se aprecia que la mayor resistencia obtenida es para la cuarta mezcla, la que contiene menor cantidad de agua. En estos resultados aún no se encuentra la resistencia requerida para la investigación, por lo que se propone sustituir agregado liviano con porcentaje de grava normal que se presenta en la opción B. 

Tabla 2. Proporciones de diseño para piedra pómez blanca más arena de peso normal.  

PRIMERA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
Kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,04  2,43  36,9  2,12  32,17  1,8  62,81 
SEGUNDA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,42  2,52  32,23  2,88  36,83  2,5  77,89 
TERCERA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,67  3,18  36,85  2,78  32,21  2,2  84,59 
CUARTA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,54  3,023  36,85  2,64  32,18  1,55  87,66 
QUINTA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,61  3,11  36,89  2,71  32,15  1,8  78,98 
SEXTA MEZCLA  PESO EN kg PARA 1 CILINDRO 
CEMENTO  AGREGADO FINO   AGREGADO GRUESO  A/C  RESISTENCIA 
kg  Kg  %  Kg  %  Litros  kg/cm² 
2,75  3,27  36,82  2,86  32,21  1,9  76,23 

Figura 2. Resistencia Vs Tiempo de los cilindros de piedra pómez blanca 

En la Figura 2 se puede apreciar que las resistencias más altas son para el mayor contenido de cemento por metro cúbico, sin embargo no es suficiente por lo que se puede decir que la piedra pómez es muy frágil y se rompe con facilidad a pesar de contar con un mortero de arena – cemento fuerte. 

 2.2 OPCIÓN B: PIEDRA PÓMEZ + 30% RIPIO + ARENA PESO NORMAL 

Como ya se indicó el contenido de cemento a utilizarse es de 400Kg/m3 con la variante de que se colocará un porcentaje de agregado grueso denso. Lo que provoca un incremento en el peso de los cilindros al compararse con los de la opción A, es decir un porcentaje del 10 al 15%. Luego de realizar 6 cilindros con diferentes proporciones se pudo constatar que una mezcla adecuada es la que se presenta en la Tabla 3. 

Tabla 3. Proporciones de diseño para piedra pómez blanca más arena de peso normal.  

Se puede apreciar en la Tabla 3 que las proporciones propuestas no alcanzan la resistencia deseada siendo su mayor valor 87,94 Kg/cm2, por lo que se decide buscar una nueva roca con la característica de que sea liviana y del mismo sector, la que se presenta en el numeral 2.3. 

 

Figura 3. Resistencia Vs Tiempo 

En la Figura 3. Se observa que aún no se alcanza la resistencia requerida y con los cambios aplicados no hay el incremento de resistencia necesaria.  

Algo que se pudo observar al romper los cilindros en esta opción fue que el cilindro sufre daños solo en las esquinas y el resto se mantiene intacto como se aprecia en la Figura 4. 

 

Figura 4. Cilindro de hormigón 

2.3 OPCIÓN C: PIEDRA CHASQUI + ARENA PESO NORMAL 

Para la realizar de estos cilindros se evitó cometer los inconvenientes presentados en las opciones anteriores por lo que se trabajó con un material de granulometría uniforme, pre saturado. Se elaboraron 12 cilindros. 

 

Figura 5. Ruptura de cilindro de hormigón 

Tabla 4. Proporciones de diseño para piedra chasqui blanca con arena de peso normal. 

 

En la Tabla 4 se aprecia una proporción adecuada, ya que ésta alcanzó la resistencia requerida para continuar con el objeto de proponer un modelo de panel prefabricado. 

 

Figura 6. Resistencia Vs Tiempo 

Esta gráfica permite apreciar la resistencia requerida que se obtuvo al realizar el ensayo de compresión en la muestra tomada con la roca chasqui. 

Para realizar los cilindros se cumplió todas las normas que en hormigones de peso normal como son: la consistencia, parámetro fundamental del hormigón fresco a través del Cono de Abrams; la toma de cilindros se hace en tres capas con un varillado de 35 golpes para una mejor compactación, el curado se hizo durante los 28 días. La resistencia se midió a través del ensayo de compresión, procedimiento detallado en la norma ASTM-C39.  

  1. FABRICACIÓN DE PANELES NO ESTRUCTURALES 

Seleccionar la forma del panel es muy importante pues define el tipo de fachada que se tendrá, estas piezas se fabrican en serie, permite el montaje en un lugar diferente al de fabricación. El panel prefabricado intenta sistematizar los elementos constructivos con el objeto de facilitar la puesta en obra.  

Esta investigación propone el modelo que se indica en la Figura 7, se recomienda  que el molde sea metálico para que sea manipulable y no tienda a romperse. 

Para realizar este panel se contará con una mezcla lo más homogénea posible para obtener una buena trabajabilidad y evitar la segregación. Al momento de aplicar en el molde, la mezcla se compactará para evitar la segregación y porosidad del panel. Se mantendrá una hidratación suficiente para evitar grietas superficiales y reducción en la resistencia. 

 

 

Figura 7. Panel propuesto 

1. ENSAYO CARGA PUNTUAL 

 

Figura 8. Ruptura de panel propuesto 

En la Figura 8. Se observa el panel conformado por dos piezas, sujetos por dos pernos ubicados en el centro del panel; se ensayó como una viga simplemente apoyada con una carga puntual misma que fue simulada por una presa. 

RESULTADOS 

Al determinar el peso volumétrico de los cilindros muestreados durante la elaboración de los paneles se obtuvo un valor promedio aproximado de 2000 kg/m3, valor que si se comprará con el rango que propone el ACI(213R 1987) es mayor lo que indica que se requiere algunas variaciones en la mezcla hasta llegar a la reducción de este resultado. 

Al elaborar los paneles se controló mantener asentamientos menores de 5cm y que mantengan una buena trabajabilidad.   

Se realizó la aplicación del molde propuesto en un lote de 16 piezas, mismos que pueden ser mejorados ya que la densidad no fue la esperada en esta investigación, para lo cual se propone seguir realizando variaciones en las proporciones  obtenidas en la muestra. 

El ensayo de carga puntual en los paneles arrojo valores de esfuerzo teórico menores que el esfuerzo calculado. Una breve explicación a este fenómeno puede ser que el panel está conformado por dos piezas.  

CONCLUSIONES 

  • A través de esta investigación se intenta implementar el uso de materiales pétreos con los que cuenta el Ecuador. 
  • Se buscará la más baja proporción de agua – cemento (a/c) en la pasta para obtener mayores resistencias significa que se necesitan contenidos de cemento altos para hormigones livianos en comparación con hormigones de peso normal de la misma resistencia. 
  • Al disminuir el peso de la mampostería se logrará reducir las dimensiones de los elementos estructurales vigas, columnas, debido al menor peso de la estructura. 
  • La elaboración de paneles prefabricados permitirá una reducción en los tiempos de construcción influyendo directamente en el costo final de la estructura. 

REFERENCIAS

213R, A. (1987). Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete. Farmington Hills, MI.: American Concrete Institute. 

Sídney Mindess, C., “Special concretes, (2010).  

Tom Holm, A. 1. (2001). Lightweight Concrete anda Aggregate. USA: Chapter 48, ASTM International, West Conshohocken, PA 

blog.360gradosenconcreto.com/que-es-el-modulo-de-elasticidad-en-el concreto.2011. 

NEVI_12. (2013). ARIDOS PARA HORMIGÓN. En M. d. Ecuador, VOLUMEN No 3 ESPECIFICACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS Y PUENTES (págs. 836-840). Quito: NORMA ECUATORIANA VIAL. 

HOLM, T. (1995). Lightweight Concrete and Aggregates. EEUU: American Standar Testing and Materials (ASTM).  

Sánchez Hurtado, Juan Proyecto fin de Master, Paneles de Hormigón Prefabricado en Fachadas 

Instrucción de hormigón estructural EHE-08, 2008. Paneles Prefabricados de fachadas, ASIC, Asociación de investigación de la Construcción 

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