¿Cuál es el efecto del tamaño de agregado grueso en la resistencia a la tracción del concreto?

Aquí hay un breve tutorial sobre concreto y agregados.
Al elegir una formulación de concreto, debe equilibrar el tamaño del agregado, la forma, el tipo de cemento, el uso previsto, los métodos de mezcla, vertido y acabado, y el costo total, para determinar la mezcla correcta.

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El efecto de las propiedades agregadas en el concreto

El concreto es una mezcla de material cementoso, agregado y agua. El agregado se considera comúnmente relleno inerte, que representa del 60 al 80 por ciento del volumen y del 70 al 85 por ciento del peso del concreto. Aunque el agregado se considera relleno inerte, es un componente necesario que define las propiedades térmicas y elásticas del hormigón y la estabilidad dimensional. El agregado se clasifica en dos tipos diferentes, grueso y fino. El agregado grueso generalmente es mayor a 4.75 mm (retenido en un tamiz No. 4), mientras que el agregado fino es menor a 4.75 mm (pasando el tamiz No. 4). La resistencia del agregado de compresión es un factor importante en la selección del agregado. Al determinar la resistencia del concreto normal, la mayoría de los agregados de concreto son varias veces más fuertes que los otros componentes en el concreto y, por lo tanto, no son un factor en la resistencia del concreto de resistencia normal. El concreto agregado ligero puede estar más influenciado por la resistencia a la compresión de los agregados.
Se deben conocer otras propiedades físicas y mineralógicas del agregado antes de mezclar concreto para obtener una mezcla deseable. Estas propiedades incluyen forma y textura, gradación de tamaño, contenido de humedad, gravedad específica, reactividad, solidez y peso unitario. Estas propiedades junto con la relación agua / material cementoso determinan la resistencia, la trabajabilidad y la durabilidad del concreto.
La forma y textura del agregado afecta las propiedades del concreto fresco más que el concreto endurecido. El concreto es más viable cuando se usa agregado liso y redondeado en lugar de agregado angular angular o alargado. La mayoría de las arenas y gravas naturales de los cauces o costas de los ríos son lisas y redondeadas y son excelentes agregados. La piedra triturada produce agregados mucho más angulares y alargados, que tienen una relación superficie-volumen más alta, mejores características de unión pero requieren más pasta de cemento para producir una mezcla viable.
La textura superficial del agregado puede ser lisa o rugosa. Una superficie lisa puede mejorar la trabajabilidad, pero una superficie más rugosa genera una unión más fuerte entre la pasta y el agregado creando una mayor resistencia.
La clasificación o distribución del tamaño del agregado es una característica importante porque determina el requisito de pasta para el hormigón viable. Este requisito de pasta es el factor que controla el costo, ya que el cemento es el componente más costoso. Por lo tanto, es deseable minimizar la cantidad de pasta consistente con la producción de concreto que se puede manipular, compactar y terminar mientras se proporciona la resistencia y durabilidad necesarias. La cantidad requerida de pasta de cemento depende de la cantidad de espacio vacío que se debe llenar y del área de superficie total que se debe cubrir. Cuando las partículas son de tamaño uniforme, el espacio es el mayor, pero cuando se usa un rango de tamaños, se llenan los espacios vacíos y se reduce el requerimiento de pasta. Cuanto más se llenen estos vacíos, menos factible será el concreto, por lo tanto, es necesario un compromiso entre la trabajabilidad y la economía.
El contenido de humedad de un agregado es un factor importante cuando se desarrolla la proporción adecuada de agua / material cementoso. Todos los agregados contienen algo de humedad en función de la porosidad de las partículas y la condición de humedad del área de almacenamiento. El contenido de humedad puede variar desde menos del uno por ciento en grava hasta hasta el 40 por ciento en arenisca muy porosa y lutita expandida. El agregado se puede encontrar en cuatro estados de humedad diferentes que incluyen secado al horno (OD), secado al aire (AD), secado a superficie saturada (SSD) y húmedo. De estos cuatro estados, solo OD y SSD corresponden a un estado de humedad específico y pueden usarse como estados de referencia para calcular el contenido de humedad. Para calcular la cantidad de agua que el agregado agregará o restará a la pasta, se deben calcular las siguientes tres cantidades: capacidad de absorción, absorción efectiva y humedad superficial.
La mayoría de los agregados gruesos almacenados se encuentran en el estado de AD con una absorción de menos del uno por ciento, pero la mayoría de los agregados finos a menudo están en estado húmedo con una humedad superficial de hasta el cinco por ciento. Esta humedad superficial en el agregado fino crea una película gruesa sobre la superficie de las partículas que las separa y aumenta el volumen aparente. Esto se conoce comúnmente como aumento de volumen y puede causar errores significativos en la proporción de volumen.
Se requiere la densidad de los agregados en las proporciones de la mezcla para establecer relaciones peso-volumen. La gravedad específica se calcula fácilmente determinando las densidades por el desplazamiento del agua. Todos los agregados contienen algo de porosidad, y el valor de la gravedad específica depende de si estos poros están incluidos en la medición. Hay dos términos que se utilizan para distinguir esta medida; Gravedad específica absoluta y gravedad específica a granel. La gravedad específica absoluta (ASG) se refiere al material sólido que excluye los poros, y la gravedad específica a granel (BSG), a veces llamada gravedad específica aparente, incluye el volumen de los poros. Con el fin de proporcionalizar la mezcla, es importante conocer el espacio ocupado por las partículas agregadas, incluidos los poros dentro de las partículas. El BSG de un agregado no está directamente relacionado con su desempeño en concreto, aunque la especificación de BSG a menudo se realiza para cumplir con los requisitos de densidad mínima.
Para la dosificación de la mezcla, se requiere el peso unitario a granel (también conocido como densidad aparente). La densidad aparente mide el volumen que el agregado graduado ocupará en el concreto, incluidas las partículas de agregado sólido y los huecos entre ellas. Como el peso del agregado depende del contenido de humedad del agregado, se requiere un contenido de humedad constante. Esto se logra mediante el uso de agregado OD. Además, se requiere la densidad aparente para el método de volumen de dosificación de mezclas.
La clasificación más común de los agregados en función de la gravedad específica a granel es los agregados livianos, de peso normal y pesados. En concreto normal, el agregado pesa 1,520 – 1,680 kg / m3, pero ocasionalmente los diseños requieren concreto ligero o pesado. El concreto liviano contiene agregados naturales o sintéticos que pesan menos de 1,100 kg / m3 y el concreto pesado contiene agregados naturales o sintéticos que pesan más de 2080 kg / m3.
Aunque los agregados son más comúnmente conocidos por ser un relleno inerte en el concreto, las diferentes propiedades del agregado tienen un gran impacto en la resistencia, durabilidad, trabajabilidad y economía del concreto. Estas diferentes propiedades del agregado permiten a los diseñadores y contratistas la mayor flexibilidad para cumplir con sus requisitos de diseño y construcción.

Referencias 1. Mehta y Monteiro. (1993) Estructura de hormigón, propiedades y materiales , Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ

1. Mindess and Young (1981) Concreto , Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ
2. Kosmatka y Panarese (1994) Diseño y control de mezclas de concreto , Portland Cement Association, Skokie, Illinois