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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.25 n.2 Santiago ago. 2010

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732010000200003 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 25 N°2, Agosto de 2010 www.ing.puc.cl/ric PAG. 215-240

 

Caracterización morfológica de agregados para concreto mediante el análisis de imágenes

 

Maria Patricia León , Fernando Ramirez**

*Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá. COLOMBIA

** Universidad de Los Andes, Bogotá. COLOMBIA

Dirección de Corespondencia:


RESUMEN

La morfología de los agregados influye en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido, sin embargo no se ha establecido una correlación entre parámetros de forma y características del concreto de manera que la incidencia de la forma sea tenida en cuenta en el diseño de la mezcla. La medición de la forma por los métodos tradicionales es subjetiva, por esta razón últimamente se han utilizado tecnologías de análisis de imágenes para determinar las características de forma de las partículas. En este estudio se determinaron las características morfológicas de diferentes agregados usando los métodos tradicionales y el de análisis de imágenes con los descriptores de Fourier, y se determinaron las propiedades mecánicas de concreto preparado con agregados de diferente forma con el fin de evaluar la influencia de esta en las propiedades del concreto fresco y endurecido. Los resultados indican que las propiedades mecánicas no se ven afectadas de manera importante por la forma de los agregados, sin embargo, influye significativamente en la trabajabilidad.

Palabras Clave: Concreto, morfología de agregados, análisis de imágenes, resistencia a la compresión, trabajabilidad


1. Introducción                                     

Los agregados pétreos son componentes fundamentales del concreto hidráulico, del concreto asfáltico y de las bases granulares. Sus características afectan no solo las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido sino también el costo del mismo. Los agregados conforman entre el 70% y el 80% del volumen del concreto, razón por la cual es importante conocer sus propiedades y la influencia de las mismas en las propiedades del concreto para optimizar no solo su uso y explotación, sino también el diseño de mezclas de concreto.

Las características de los agregados en cuanto a su forma, textura y gradación influyen en la trabajabilidad, en el acabado, en la exudación y en la segregación del concreto fresco y afectan la resistencia, la rigidez, la retracción, la densidad, la permeabilidad y durabilidad del concreto en estado sólido (Quiroga, 2003).

El componente más costoso del concreto es el cemento. La pasta de cemento (cemento y agua) es el elemento que llena los vacíos entre los agregados, provee la trabajabilidad del concreto en estado fresco y proporciona la adherencia o pega entre los agregados una vez el concreto se endurece. El porcentaje de vacíos de una mezcla de agregados está principalmente relacionado con su gradación, forma y textura (De Larrard, 1999). Los vacíos generados en mezclas de agregados con partículas aplanadas y alargadas generalmente son mayores que en mezclas con partículas redondeadas y por lo tanto la demanda de pasta de estas últimas para alcanzar una trabajabilidad dada y para obtener una adecuada pega entre agregados será menor. El uso de dosificaciones bajas de pasta (dentro de ciertos límites), además de la reducción en costos de producción, tiende a generar menos problemática relacionada con fisuración, calor de hidratación, y durabilidad. En las últimas décadas técnicas de análisis de imágenes han sido utilizadas para evaluar la forma y la textura de partículas. A partir de estas técnicas se han obtenido índices de forma, angularídad y textura que definen cuantitativamente estas propiedades. Los métodos de diseño de mezclas de concreto usados en la actualidad no consideran de una manera directa el efecto de la forma y de la textura de los agregados, por ejemplo en el caso del método de diseño del ACI 211.1 (1991) se tiene en cuenta parcialmente el efecto de la forma al involucrar el módulo de finura de las arenas y la masa unitaria compacta de los agregados, sin embargo este método no establece variaciones en la cantidad de agua debido a estos factores. Esta problemática sumada a las limitaciones con las que cuentan algunas ciudades en cuanto al suministro de agregados por fuentes de explotación insuficientes, el alto costo económico y el impacto ambiental generado por la explotación, hacen que sea necesario conocer de manera precisa las características de los agregados y la influencia de las mismas en las propiedades del concreto de tal manera que esta información sea considerada de manera explícita y racional en el proceso de diseño de mezclas de concreto.

El objetivo general de este estudio es la caracterización morfológica de los agregados usados para mezclas de concreto hidráulico y la estimación de su influencia en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido. Este proyecto comprende la caracterización físico-mecánica de agregados triturados de diferentes fuentes usados en la producción de concretos en Bogotá, el registro e interpretación de imágenes digitales de los agregados de cada una de las fuentes seleccionadas para obtener sus características de forma, la caracterización del concreto en estado fresco (asentamiento), y la caracterización mecánica del concreto endurecido (módulo de elasticidad y resistencia a la compresión), para finalmente evaluar la influencia de las características morfológicas de los agregados en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido.

2. Marco teórico

2.1 Efecto de la forma de los agregados en el concreto

Las características de los agregados tienen un efecto significativo en el comportamiento del concreto en estado fresco y endurecido. Las principales características de los agregados que afectan las propiedades del concreto son forma y textura, gradación, absorción, mineralogía, resistencia y módulo de elasticidad, tamaño máximo, gravedad específica, resistencia al ataque de sulfatos y dureza. En la medida en que se determine la influencia de cada una de estas propiedades en el comportamiento del concreto, será posible realizar diseños de mezclas más económicos.

Para lograr una mezcla de concreto óptima se requieren entre otras condiciones que la compacidad de la mezcla de agregados sea la máxima posible con una trabajabilidad adecuada de forma que se minimice la cantidad de pasta de cemento requerida para la pega de los agregados. Igualmente se requiere que sus componentes satisfagan características que permitan que la mezcla de concreto sea durable y cumpla con los requisitos de trabajabilidad y resistencia establecidos durante el diseño. La estimación de la compacidad de una mezcla granular es un problema fundamental para el manejo y conocimiento del concreto (Andersen y Johansen, 1991), y depende de 3 parámetros fundamentales: tamaño y distribución de los granos, forma de los granos (morfología y textura) y método de compactación de la mezcla de concreto.

A mayor contenido de vacíos el concreto requiere más pasta de cemento. Se ha encontrado que el requerimiento de pasta de cemento se reduce alrededor de 4% a 5% cuando se utiliza agregado cúbico en vez de agregado alargado y aplanado (Hudson, 1998). Así mismo, como la forma de las partículas afecta la compacidad de la mezcla de agregado, esta tiene una alta incidencia en la demanda de pasta de cemento y por lo tanto en los costos del concreto, y afecta también la trabajabilidad y las propiedades mecánicas concreto. La forma y textura de los agregados afectan la masa unitaria compacta y por lo tanto juegan un papel importante en el desempeño del mortero y del concreto en estado fresco y puede afectar indirectamente su resistencia al afectar la colocación y compactación del concreto.

2.1.1 Efecto de la forma de los agregados en las propiedades del concreto fresco

La forma de las partículas afecta la trabajabilidad y colocación del concreto en estado fresco. El requerimiento de pasta de cemento de la mezcla de concreto está asociado a la superficie específica de los agregados. Las partículas con una superficie específica menor como las de forma cúbica o redondeada requieren menos pasta de cemento para alcanzar la misma trabajabilidad que una mezcla de concreto producida con agregados de mayor superficie específica como aquellos que contienen partículas elongadas y aplanadas (Shilstone, 1999). Adicionalmente, las partículas aplanadas, alargadas, angulares y rugosas al acomodarse tienen un alto contenido de vacíos, que hacen que la mezcla requiera de más arena para proporcionar un concreto manejable. Cuando esto sucede, la finura de la mezcla de agregados es mayor, es decir que tiene una superficie específica mayor, y por ende el requerimiento de pasta incrementa (Legg, 1998). Además de tener un efecto directo sobre la trabajabilidad de la mezcla, las partículas aplanadas, alargadas, angulares y rugosas producen mezclas que dificultan el acabado superficial del concreto, así como su compactación. Aunque la textura superficial afecta la trabajabilidad, su influencia no es tan representativa como la que tiene la gradación y la forma de los agregados (Galloway, 1994). La demanda de agua en una mezcla de concreto también esta influenciada por la forma y textura de los agregados. Una demanda mayor de agua para obtener una trabajabilidad dada, reduce la resistencia y aumenta la exudación del concreto.

2.1.2 Efecto de la forma de los agregados en las propiedades del concreto endurecido

La forma y la textura de los agregados además de afectar significativamente la trabajabilidad del concreto en estado fresco, tienen un efecto en la resistencia y la durabilidad de concreto endurecido. La textura afecta la adherencia entre las partículas gruesas y la matriz de mortero reflejándose en la variación de la resistencia. Las partículas rugosas tienden a generar mayores resistencias que las partículas lisas (Kaplan, 1959), especialmente la resistencia a la flexión (Galloway, 1994). Sin embargo, las partículas rugosas incrementan la demanda de agua para una trabajabilidad dada reduciendo de esta forma la resistencia y la durabilidad.

La durabilidad está asociada a un contenido bajo de agua, por esta razón los agregados angulares, aplanados y alargados afectan negativamente la durabilidad del concreto ya que incrementan la demanda de agua. En el caso de concretos usados en pavimentos, las partículas aplanadas ubicadas cerca de la superficie impiden la exudación de agua del mortero ubicado bajo la partícula, causando deterioro de la superficie y por lo tanto disminución de la durabilidad del mismo (Kosmatka, 1994).

Alexander (1996) estableció que la forma y la textura de los agregados tienen un efecto directo en la resistencia influenciando las concentraciones de esfuerzo en el material compuesto y el grado de microfisuras y fisuras antes y después de la falla. Mehta y Monteiro (1993) encontraron además que la forma y la textura de los agregados afectan la forma de la curva esfuerzo -deformación del concreto ya que la morfología de los agregados influencia la generación de microfisuras en la zona de transición. La influencia de la forma de los agregados en la resistencia del concreto es controversial. A pesar de que se ha observado que concretos fabricados con agregados con diferentes formas y un contenido de cemento dado pueden alcanzar niveles de resistencia similares, algunos autores aseguran que los concretos producidos con agregados de forma redondeada y cúbica tienden a producir mayores resistencias que agregados alargados y aplanados (Shilstone, 1990).

Por lo expuesto anteriormente, existen diferentes especificaciones que limitan el contenido de partículas alargadas o aplanadas en agregados usados en la producción de concreto. Por ejemplo las normativas españolas del concreto especifican que el porcentaje en peso de partículas aplanadas debe ser menor al 35% del peso total del concreto. La norma británica estipula que este porcentaje debe ser menor a 40 %.

Las especificaciones del Instituto de Desarrollo Urbano de Bogotá establecen que el porcentaje máximo de partículas alargadas y aplanadas debe ser del 15% al 20% dependiendo del tipo de tráfico.

2.2 Análisis de forma de partículas

La forma, la angularidad o redondez, y la textura superficial son tres conceptos relacionados con el análisis morfológico que representan las variaciones geométricas espaciales en diferentes escalas dimensionales (Figura 1). La forma representa la variación espacial en la escala de dimensión grande, la angularidad o redondez representa la variación en la escala de dimensión media, y la textura superficial representa la variación en la dimensión pequeña (Barret, 1980).

Figura 1. Terminología de forma de la partícula (Barret, 1980)

Las mediciones de la forma de los agregados para el concreto, han sido ampliamente realizadas por medio de métodos manuales con el uso de calibradores de alargamiento y aplanamiento. Esas medidas no sólo son demoradas, sino que también son altamente subjetivas. Debido a su ineficiencia y costo, estas mediciones tienden a no ser suficientemente representativas para obtener un resultado estadísticamente válido (Maerz y Zhou, 1999). Existen tecnologías como el procesamiento de imágenes que podrían incrementar la exactitud y la eficiencia de estas mediciones, las cuales están siendo actualmente desarrolladas para medir la forma de los agregados de manera que puedan ser implementadas para su uso común.

2.2.1 Métodos de medición manual

índice de aplanamiento y alargamiento de agregados

El índice de aplanamiento de una fracción de agregado, se calcula como el porcentaje en peso de las partículas que la conforman cuya dimensión mínima es inferior a un valor dado de la dimensión media de la fracción. El índice de alargamiento de una fracción de agregado, se obtiene del porcentaje en peso de las partículas que la conforman cuya dimensión máxima (longitud) es superior a un valor dado de la dimensión media de la fracción. Por ejemplo la norma del Instituto Nacional de Vías de Colombia INV E-230 (1998), define como índice de aplanamiento de una fracción de agregado, el porcentaje en peso de las partículas que la forman cuya dimensión mínima (espesor) es inferior a 3/5 de la dimensión media de la fracción y se define como índice de alargamiento de una fracción de agregado, el porcentaje en peso de las partículas que la forman cuya dimensión máxima (longitud) es superior a 9/5 de la dimensión media de la fracción.

Contenido de vacíos de agregado fino en estado suelto

Este método describe la determinación del contenido de vacíos de una muestra de agregado en estado suelto. Al comparar el valor del contenido de vacíos de diferentes agregados con la misma gradación puede obtenerse un indicador de la angularidad, esfericidad y textura superficial de las partículas.

índice de forma y textura de agregados

Con este método de ensayo se puede obtener un valor relativo de la forma y textura de los agregados. Este procedimiento ha sido usado para indicar los efectos de estas características en la compactación y la resistencia de mezclas de concreto. El ensayo consiste en obtener el porcentaje de vacíos de cada fracción del material con diferente grado de compactación, para después calcular el índice de forma del agregado. El valor de índice de la partícula se obtiene como:

(1)

Donde, Ia es el valor de índice de la partícula, Y V10 Y V50 son el porcentaje de vacíos en cada fracción del material compactadas con 10 y 50 golpes por capa respectivamente.

2.2.2 Métodos de medición de la forma por medio de análisis de imágenes

El procesamiento y análisis de imágenes digitales ha venido siendo utilizado desde 1960. Con el desarrollo de tecnologías de computadores, la aplicación de técnicas de análisis digital se ha diversificado a diferentes áreas. En la ingeniería civil, se han implementado técnicas de captura y análisis de imágenes en la detección y análisis de esfuerzos de tensión, establecimiento de condiciones estructurales, transporte de sedimentos en corrientes, transporte de contaminantes en medios porosos, deformaciones de suelos, granulóme trías, análisis de forma de partículas, y en la reconstrucción y simulación de estructuras granulares. Se han realizado varios intentos para caracterizar la forma de las partículas mediante el análisis de imágenes. Algunos métodos se han concentrado en medir la forma en general mientras otros han comparado la angularidad con la redondez y también la textura entre diferentes formas (Barret, 1980). Históricamente la medición de la forma de las partículas en la mecánica de suelos se ha realizado mediante cartas normalizadas contra las cuales se compara cada partícula individualmente. En la última década se han usado técnicas avanzadas de imágenes como tomografías de rayos X y resonancia magnética para el estudio de las estructuras de materiales granulares.

La caracterización de forma de los agregados y su influencia en las propiedades del concreto fresco y endurecido son el principal objetivo de esta investigación. Es por esto que el análisis de imágenes se realiza usando el método de Descriptores de Fourier el cual representa la forma de las partículas de manera adecuada.

Análisis de Fourier

El método de Fourier (R,θ) ha sido usado para la determinación de algunos parámetros relacionados con la forma de la partícula. En la teoría general del análisis morfológico de Fourier el perfil o contorno de una partícula (Figura 2) se representa mediante la Ecuación 2 en términos de series de Fourier (Bowman, E. et al., 2000).

(2)

Siendo a el radio promedio de la partícula, los términos (amcos mθ;+bmsen mθ) describen las características de un perfil de partícula específico, donde am y bm representan magnitudes y m representa la frecuencia, y R(θ) es el radio de la partícula para un ángulo θ. La forma de la partícula se describe mediante los siguientes tres parámetros:

   (3)

 

(4)

 

(5)

Donde Am2=am2+bm2 y nl,n2, y n3 son frecuencias limites que separan forma, angularidad, y textura respectivamente. Wang et al. (2005) reportaron para partículas con diámetro promedio de 25 mm el rango de frecuencias hasta m=4 definen forma, para m entre 5 y 25 definen angularidad, y para m>25 definen textura.

Figura 2. Partícula con dos posibles valores de radio para un mismo ángulo θ

Una limitante que se presenta en este método son las concavidades que pueden presentarse en el contorno de una partícula y que proporcionan para un mismo ángulo dos posibles valores de R (θ) tal como se observa en la Figura 2. Clark (1981), encontró que podía usarse el método de los descriptores de Fourier para realizar un análisis cuantitativo de la forma de partículas. En este método, el contorno de la partícula es recorrido en el plano complejo a velocidad constante. Se escoge una longitud de paso de tal manera que se obtenga un recorrido completo del contorno de la partícula en un tiempo 2& con un número de pasos 2k. La función compleja obtenida es la mostrada en la Ecuación 6.

(6)

Donde x y y son las coordenadas del contorno de la partícula, N es el número total de descriptores, M es el número total de puntos que describen la partícula, n es el número del descriptor, m es el número índice de un punto de la partícula, a y b son los coeficientes para cada descriptor, e i es el número imaginario. El índice de forma es calculado como la raíz cuadrada de las suma de los cuadrados de los coeficientes a y b.

El número total de puntos seleccionados para definir el perfil determina el número de descriptores que se pueden obtener del análisis de Fourier. La naturaleza compleja de la ecuación (6) implica que los descriptores de orden bajo (n=+1 a +4 y n=-1 a -4) pueden describir la morfología general de la partícula y normalmente tienen coeficientes mayores de acuerdo a la característica descrita. Los valores de los descriptores decaen normalmente hacia los descriptores +64 y -63 (Bowman et al., 2001). Por esta razón en la bibliografía encontrada se seleccionan 128 puntos para realizar el análisis de Fourier. En general se ha encontrado que los primeros 15 descriptores son usualmente suficientes para describir la forma a nivel general (Sonka et a.l, 1993). En el caso de arenas se ha encontrado que tres términos son suficientes para cuantificar la morfología aproximada de la partícula.

Los descriptores n=0,-1,-2 y -3 están relacionados con la forma del material y proporcionan características del radio, la elongación, lo triangular y lo cuadrangular de las partículas, mientras que el descriptor n= +1 proporciona una medida de la asimetría, y los descriptores n=+2 y +3 son descriptores de segundo orden de la elongación y de lo triangular de la partícula. Estos descriptores de segundo orden proporcionan información adicional relacionada con la redondez de las esquinas de la partícula y no acerca de la forma de la misma, por ejemplo un descriptor +3 alto indicaría una partícula triangular con vértices redondeados (Figura 3). Los descriptores 5 a 25 reflejan la naturaleza angular de la partícula y los mayores a 25 están relacionados con la textura superficial (Wang, et al., 2005). Los descriptores típicos de una partícula son presentados en la Figura 3.

3 Metodología

3.1 Materiales

Las fuentes de material seleccionadas para este estudio son de dos procedencias: Guasca y Tunjuelo. En ambos casos el material es triturado, proceso que influencia la morfología de las partículas. Estas fuentes fueron seleccionadas por ser las más usadas en la producción de concreto en Bogotá. Las características físicas de estos materiales fueron determinadas en el laboratorio y se presentan en la Tabla 1. En las Figuras 4 y 5 se muestran las gradaciones de los agregados gruesos y la Figura 6 corresponde a la gradación del agregado fino. Las líneas punteadas que aparecen en estas figuras indican los límites dados por las especificaciones de la ASTM C-33 para agregados utilizados en la producción de concretos.

a)

b)

Figura 3. Descriptores de Fourier típicos de una partícula, a. Forma general de partículas de acuerdo a la descripción morfológica usando descriptores de Fourier, b. Magnitud de los descriptores para una partícula típica. (Bowman et al., 2001)

Tabla 1. Agregados y características físicas

Dado que el objetivo del estudio es determinar la influencia de la forma en las propiedades del concreto, el principal obstáculo que se presenta es encontrar materiales con formas diferentes pero con propiedades físico-mecánicas similares. Para resolver este inconveniente, se manipula únicamente el agregado grueso de una de las fuentes seleccionadas, separándolo a través de las galgas de alargamiento. De esta forma se obtienen dos materiales con diferente forma pero con las mismas características físico-mecánicas: uno con 100% de partículas alargadas y otro con 0% de partículas alargadas. Adicionalmente se incluye un tercer material correspondiente al agregado sin manipular que contiene el 20% de partículas alargadas1. Esta manipulación fue realizada en el agregado procedente de la cantera de Guasca, ya que su índice de alargamiento es mayor que el del agregado de la cantera de Tunjuelo. De acuerdo a lo anterior, la Tabla 2 presenta la clasificación de los materiales usados para este estudio.

Figura 4. Gradación agregado grueso Guasca

Figura 5. Gradación agregado grueso cantera Tunjuelo

Figura 6. Gradación agregado fino cantera Tunjuelo

Figura 7. Combinación óptima de agregados

El cemento utilizado para el desarrollo de las pruebas es cemento Argos - El cairo Tipo I Bulto, cuyo peso especifico determinado en el laboratorio usando el método de Le Chatelier es 2.97 g/cm3.

3.2 Diseño de mezcla

En Bogotá la mayoría de diseños de mezcla se realiza basándose en el método ACI 211.1. Sin embargo se ha encontrado que muy pocos agregados de Bogotá cumplen con las especificaciones dadas en este método. Este método proporciona los agregados de acuerdo al tamaño máximo del agregado a la masa unitaria compacta y el módulo de finura de la arena. La selección de la cantidad de agua requerida se determina de acuerdo al asentamiento de diseño, al tamaño máximo del agregado y al contenido de aire atrapado.

El método del ACI 211.1 considera la dosificación de los agregados teniendo en cuenta el módulo de finura (MF) de la arena , partiendo de la base de que los agregados utilizados en el diseño encajan dentro de las bandas granulométricas de la especificación. La arena de la cantera del Tunjuelo tiene un MF de 3.3, valor que está por encima de los máximos especificados en la ACI 211.1 y las granulometrías de la arena y de la grava utilizadas en el estudio están por fuera de esta especificación. Por esta razón la dosificación de los agregados se realiza teniendo en cuenta curvas de gradaciones ideales (Sánchez, 1996), las cuales buscan minimizar el porcentaje de vacíos de la mezcla de agregados sin afectar la trabajabilidad del concreto. La combinación de agregados resultante fue 45% grava y 55% arena. En la Figura 7 se presenta la combinación óptima de agregados junto con diferentes límites y rangos de gradaciones ideales.

Tabla 2. Clasificación del agregado grueso evaluado en el estudio

Se realizaron tres diseños de mezclas de concreto, el diseño de mezclas tipo I para un concreto convencional usando agregado de Guasca con una resistencia a la compresión de diseño de 21MPa y 7,5cm de asentamiento, el diseño de mezclas tipo II usando el agregado de Guasca para un concreto con una resistencia de diseño de 21 MPa y un asentamiento de 15cm, y el diseño de mezclas tipo III usando el agregado de Tunjuelo para un concreto con resistencia de 21 MPa y un asentamiento de 15cm. Después de los procesos de diseño y ajuste de las mezclas de concreto, las dosificaciones finales de los materiales se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3. Diseños de mezclas por m3 de concreto

3.3 Caracterización morfológica de los agregados

La caracterización morfológica de los agregados se realizó usando el método de medición manual de índices de alargamiento y aplanamiento y caras fracturadas, y por medio de análisis de imágenes.

El proceso manual de medición de los índices de alargamiento y aplanamiento consiste en separar el agregado grueso a través de la serie de tamices para posteriormente hacer una selección de las partículas a través de las galgas de alargamiento y de aplanamiento. Estos índices se calculan como la suma del porcentaje ponderado del peso de partículas largas o elongadas de cada fracción. El ensayo de caras fracturadas es un ensayo subjetivo y consiste en cuantificar porcentualmente las partículas que tienen aproximadamente el 75% de caras fracturadas de cada fracción. El porcentaje de caras fracturadas se calcula como la suma del porcentaje ponderado de los resultados de cada fracción.

El análisis morfológico de las partículas por medio de imágenes se realizó usando el método de los descriptores de Fourier descrito en la Sección 2, el cual consiste en recorrer el contorno de la partícula en el plano complejo a velocidad constante. En este estudio se utilizaron 128 descriptores (k=7) que de acuerdo a lo reportado en la literatura es suficiente para reconstruir adecuadamente la imagen de entrada.

La imágenes fueron obtenidas mediante fotografías tomadas a grupos de 20 partículas de agregado usando una cámara digital de 10 megapixeles. Posteriormente, con la ayuda del software de interpretación y análisis de imágenes desarrollado durante este proyecto se estudió la geometría de una muestra de partículas pertenecientes a cada fracción de la serie gruesa de cada uno de los materiales descritos en la Tabla 2. Se analizaron un total de 200 partículas por fracción seleccionadas aleatoriamente.

El proceso seguido con el software desarrollado puede resumirse en dos pasos. El primero es la conversión de las imágenes tomadas a un formato binario y la determinación de las coordenadas del perímetro de las partículas. El segundo paso consiste en procesar estas coordenadas para determinar los descriptores de Fourier siguiendo el método descrito en la sección 2.2.2. De esta forma se contó con información cuantitativa de la geometría de los agregados, para la posterior correlación con las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido.

3.4 Evaluación de las propiedades del concreto

La forma de las partículas del agregado puede afectar las propiedades del concreto en estado fresco y en estado endurecido. Al dosificar concretos con diferentes agregados, puede variar la trabajabilidad del mismo y sus propiedades mecánicas. Los agregados con diferente forma tienen diferente superficie específica, por esta razón, la demanda de pasta para alcanzar una misma trabajabilidad y una misma resistencia puede variar. Las propiedades que se evalúan en este estudio para determinar la influencia de la forma en el comportamiento del concreto son: trabajabilidad, por medio del ensayo de asentamiento (NTC 396- ASTM C 143), resistencia a la compresión (NTC 673-ASTM C 39), y módulo de elasticidad (NTC 4025- ASTM C 469).

4. Resultados y discusión

4.1 Caracterización morfológica

Los resultados de la caracterización morfológica usando métodos manuales se presentan en la Tabla 4.

Tabla 4. Caracterización morfológica

Se observa claramente que aunque los índices de alargamiento son similares para las dos fuentes, el de Guasca es ligeramente mayor. Una situación similar se presenta en el caso de las caras fracturadas, ambos agregados presentan un alto porcentaje de esta propiedad, lo cual se esperaba debido a que ambos son agregados triturados.

La caracterización de forma por medio del análisis de imágenes utilizando el análisis de Fourier, se realizó para los descriptores -1: elongación, -2: triangularidad, y -3: cuadratura. Para esto se identificaron rangos de valores de cada descriptor de forma, en los cuales se observa una variación importante de la forma. Es así como para el descriptor -1 (Elongación), al analizar las imágenes capturadas se encuentra que cuando el descriptor tiene un valor menor a 0.05 la elongación es baja, para valores entre 0.05 y 0.17 la elongación es media, y para valores mayores a 0.17 la elongación es alta. De la misma forma se analiza el descriptor -2 para el cual se observa triangularidad baja para valores menores a 0.05, media para valores entre 0.05 y 0.2, y alta para valores mayores a 2. Por último, para la cuadratura se observan partículas redondeadas cuando el descriptor -3 es menor a 0.02, y partículas cuandrangulares para valores mayores. Estos rangos de valores junto con las correspondientes variaciones de forma son ilustrados en las Figuras 8, 9 y 10 para elongación (descriptor -1), triangularidad (descriptor -2) y cuadratura (descriptor -3) respectivamente. Asimismo, en la Tablas 5, 6 y 7 se presenta el porcentaje del número de partículas que se encuentra dentro de cada rango de elongación, triangularidad y cuadratura para cada tipo de agregado.

Asumiendo que el rango alto de elongación corresponde al criterio del índice de alargamiento del método manual (Tabla 2), es decir, partículas cuya relación de largo a tamaño medio de la fracción es mayor a 9/5, los valores obtenidos en ambos métodos son comparables. Considerando los errores asociados a la medición manual y la sensibilidad asociada a la selección de los rangos en el método de descriptores de Fourier, estos resultados validan la aplicación del método de los descriptores de Fourier para el índice de alargamiento.

Para el caso de los descriptores -2 y -3 (triangularidad y cuadratura), no hay una variación significativa para los tres tipos de agregados analizados procedentes de la cantera de Guasca como era esperado ya que la manipulación de este material para obtener las muestras Gl, G2, y G3 solo fue realizada en términos de elongación.

Además, las diferencias en cuadratura y triangularidad entre los agregados de Guasca y Tunjuelo son mínimas ya que ambos materiales son sometidos a procesos de trituración en las respectivas canteras.

Figura 8. Geometría típica para los rangos del descriptor -1, elongación: a. Elongación baja con descriptor menor a 0.05, b.Elongación media con descriptor entre 0.05 y 0.17, y c. Elongación alta con descriptor mayor a 0.17

Tabla 5. Descripción de elongación (Descriptor -1)

Figura 9. Geometría típica para los rangos del descriptor -2, triangularidad: a. Triangularidad baja con descriptor menor a 0.05,b. Triangularidad media con descriptor entre 0.05 y 0.2, y c. Triangularidad alta con descriptor mayora 0.2

Tabla 6. Descripción de triangularidad (Descriptor -2)

Figura 10. Geometría típica para los rangos del descriptor -3, cuadratura: a. Cuadratura baja con descriptor menor a 0.02,b. Cuadratura alta con descriptor mayor a 0.02

Tabla 7. Descripción de cuadratura (Descriptor -3)

 

4.2 Evaluación de las propiedades del concreto

Para estudiar el efecto de la forma en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido se realizaron tres diseños de mezclas cuyas dosificaciones se presentan en la Tabla 3 para los agregados naturales. La mezcla tipo I es usada para determinar la influencia de la forma cuando se usa la misma dosificación de materiales. Con este fin y usando la dosificación correspondiente a la mezcla tipo I se prepararon 9 cilindros para cada tipo de agregado G1, G2, y G3. La mezcla tipo II es usada para evaluar el efecto de la morfología manteniendo el mismo asentamiento y relación agua-cemento para lo cual se prepararon 9 cilindros para cada tipo de agregado G1, G2, y G3. Es importante anotar que las mezclas tipo II resultan en dosificaciones diferentes para cada tipo de agregado G1, G2, y G3. Finalmente, la mezcla tipo III es empleada para comparar los materiales naturales provenientes de las dos fuentes consideradas (G1 yTunjuelo). Los cilindros de concreto fueron ensayados para evaluar su resistencia a la compresión y su módulo de elasticidad, y los correspondientes resultados se presentan a continuación.

4.2.1 Efecto de la forma - Igual Dosificación- Mezcla tipo I

El objeto de estudiar este tipo de mezcla es observar el efecto que tienen los diferentes tipos de agregado grueso (G1, G2, y G3) en la trabajabilidad y en la resistencia del concreto cuando se utiliza la misma dosificación de los materiales de acuerdo al diseño de mezcla tipo I presentado en la Tabla 3.

El promedio de los resultados de asentamiento para cada uno de los tipos de agregado son mostrados en la Tabla 8. Puede observarse la gran influencia que la forma del agregado tiene en la trabajabilidad del concreto fresco. Para la dosificación empleada el uso de material con un índice de alargamiento del 100% (G2) resulta en una reducción del 43% en asentamiento comparado con el asentamiento obtenido para el agregado natural (Gl), mientras que el uso del agregado con un índice de alargamiento de 0% (G3) resulta en un incremento en asentamiento del 32%.

Tabla 8. Trabajabilidad de las mezclas tipo I Table 8. Workability of mixes type I

Los resultados de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad presentan una variabilidad importante para cada tipo de agregado debida en parte a la naturaleza misma del concreto. Sin embargo, estos valores no presentaron diferencias significativas debidas al cambio de la forma del material, tal como se muestra en las Figuras 16 y 17 y en la Tabla 9.

Tabla 9. Resistencias a la compresión y módulo de elasticidad mezclas Tipo I

Figura 16. Resistencia a la compresión mezclas tipo I

Figura 17. Módulo de elasticidad mezclas tipo I

Efecto de la forma - Igual asentamiento y relación agua-cemento - Mezcla tipo II

Con estas mezclas se pretende encontrar la variación en la demanda de pasta de cemento para mezclas de concreto con los diferentes tipos de agregado grueso G1, G2, y G3, para un asentamiento específico (15cm) y manteniendo constante la relación agua cemento. Con el fin de lograr el mismo asentamiento para los diferentes agregados se tiene como base el diseño de mezcla tipo II (Tabla 3) y se modifica el volumen del agregado grueso hasta lograr el asentamiento deseado. Este proceso resulta en dosificaciones con diferentes volúmenes de pasta de cemento. Las dosificaciones finales por peso se presentan en la Tabla 10, y los valores promedio de asentamiento para cada tipo de agregado en la Tabla 11.

Tabla 10. Variación en la dosificación de la mezcla tipo II por m3 de concreto debidas a la forma

Tabla 11. Trabajabilidad de las mezclas tipo II

La presencia de partículas elongadas implica un mayor contenido de vacíos y por lo tanto una mayor demanda de pasta de cemento. De acuerdo a los resultados mostrados en la Tabla 10, la mezcla preparada con agregado tipo G2 el cual tiene un índice de alargamiento del 100% requiere un 1.9% más de volumen de pasta que el agregado natural, mientras que el uso del agregado G3 con un índice de alargamiento del 0% requiere un 4.0% menos de pasta en comparación con la mezcla con el agregado sin manipular. La demanda de pasta aumenta en un 5.9% de una mezcla con agregado sin partículas alargadas (G2) a una con 100% de partículas alargadas (G3).

Los resultados de los ensayos de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad se presentan en la Figuras 18 y 19 y en la Tabla 12. No se observa un cambio significativo en las resistencias del concreto fabricado con agregado G1 y con el G2. Igualmente se observa una similitud en el comportamiento de las resistencias a la compresión y de los módulos de elasticidad de los agregados G1 y G3, con una ligera disminución de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad del agregado G3. De acuerdo a lo presentado en la Tabla 10, la mezcla realizada con agregado G2 contiene cerca de un 2.0% más de cantidad de pasta que la mezcla realizada con el agregado G1 mientras que la muestra G3 presenta un 4.0% menos de cantidad de pasta, lo que indica que el comportamiento de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad puede estar principalmente afectado por el volumen de pasta, sin descartar el aporte de la resistencia que puede suministrar la trabazón entrepartículas.

Figura 18. Resistencia a la compresión mezclas tipo II

Figura 19. Módulo de elasticidad mezclas tipo II

Tabla 12. Resistencias a la compresión y módulo de elasticidad mezclas Tipo II

 

4.2.3 Influencia de los agregados - Procedencia

Este tipo de mezcla busca comparar las propiedades del concreto utilizando agregados de diferentes fuentes (G y T).

Los diseños de mezcla utilizados para esta comparación son el tipo I y el tipo III descritos en la Tabla 3 correspondientes a los dos agregados anteriormente mencionados. Los resultados de asentamiento mostrados en la Tabla 13 son consistentes con lo reportado en la literatura, ya que el índice de alargamiento del agregado de Tunjuelo (T) es menor que aquel del agregado de Guasca (Gl).

Tabla 13. Trabajabilidad de las mezclas tipo I y tipo III

En las Figuras 20 y 21 y en la Tabla 14 se presentan los resultados de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad correspondientes a las mezclas tipo I y tipo III. Se puede observar que la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad del concreto realizado con el agregado T tiene mayores resistencias que el agregado G debido a que el primero tiene mejores características físicomecánicas según lo indica su mayor peso específico y menor porcentaje de desgaste (Tabla 1).

Figura 20. Resistencia a la compresión mezclas tipo 3

Figura 21. Módulo de elasticidad mezclas tipo 3

Tabla 14. Resistencias a la compresión y módulo de elasticidad mezclas Tipo I y Tipo III

5. Conclusiones

La morfología de los agregados influye en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido, con una mayor influencia en la manejabilidad que en las propiedades mecánicas. La medición de la forma por los métodos tradicionales es subjetiva, por esta razón en los últimos años se han utilizado tecnologías de análisis de imágenes para determinar las características de forma de las partículas. En este estudio se determinaron las características morfológicas de diferentes agregados usando los métodos tradicionales y el método de análisis de imágenes por medio de los descriptores de Fourier, para luego evaluar la influencia de la elongación de las partículas en las propiedades del concreto: asentamiento, resistencia a la compresión y módulos de elasticidad. Con base en la investigación realizada, y para los materiales, numero de muestras, y análisis considerados se pueden obtener las siguientes conclusiones:

a. Los valores obtenidos de alargamiento con el método manual y el de análisis de imágenes con descriptores de Fourier presentan pequeñas diferencias. Estas diferencias son causadas por los errores asociados con la medición manual y con la sensibilidad en la selección de los rangos en el método de Fourier.

b. Las mezclas con igual dosificación presentan variaciones significativas en el asentamiento para los diferentes tipos de agregado. Las partículas alargadas disminuyen el asentamiento del concreto y por lo tanto reducen su trabajabilidad. Esto implica ajustes en los diseños de mezclas de concreto para obtener la trabajabilidad deseada.

c. La resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad de las mezclas con igual dosificación pero con agregados con diferentes contenidos de partículas alargadas no presentan diferencias significativas, por lo tanto la forma no representa un factor que influya en las propiedades mecánicas del concreto.

d. Al ajustar los diseños de mezclas utilizando agregados de diferentes formas para un asentamiento dado se obtuvo que los volúmenes de pasta varían en un 5,9% entre agregados con índices de elongación baja (G2) y alta (G3). Las mezclas presentaron comportamientos de resistencia a la compresión similares.

e. Comparando los resultados de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad de los concretos realizados con el agregado T y G1, se observa que T tiene mayores resistencias que el agregado G1 debido a que el primero tiene mejores características físico-mecánicas según lo indica su mayor peso específico y menor porcentaje de desgaste.

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Fecha de recepción: 22/ 10/ 2009 Fecha de aceptación: 10/ 04/ 2010