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En lo que concierne a la durabilidad del concreto
endurecido, existen en él características físicas que controlan su desempeño cuando es
expuesto a procesos abrasivos de cualquier tipo y procedencia; éstas son su resistencia
al desgaste y al pulido. Dichas propiedades dependen en gran medida de la calidad de los
agregados, cuyas características físicas influyen de manera definitiva en el
comportamiento del concreto una vez que ha sido puesto en servicio. Se sabe que la
resistencia al desgaste y al pulido está dada en el concreto por la calidad de la pasta,
la calidad del agregado fino expuesto y la porción de agregado grueso que se ubica en la
superficie expuesta del concreto.
Para
evaluar la resistencia del agregado grueso a los procesos abrasivos, se le aplican como
métodos de calificación la prueba de abrasión de “Los Ángeles”1 y 2
y la prueba de resistencia al impacto. Este tipo de determinaciones puede proporcionar un
índice del comportamiento futuro del agregado grueso en el concreto. Tales propiedades de
los agregados tienen su fundamento en el origen y tipo litológico de los mismos.
Objetivo El presente
artículo tiene como objetivo hacer una propuesta de evaluación de los agregados gruesos
basada en sus características mecánicas, propuesta que involucra su litología y su
resistencia a la abrasión y al impacto. El trabajo se basó en las pruebas realizadas a
materiales obtenidos de 25 diferentes sitios distribuidos en toda la república mexicana y
en la experiencia de uso en la prospección de bancos para agregados. Se pretende definir
un tipo específico de agregado, con características particulares claramente
diferenciables como son tipo de roca, composición mineralógica, dureza, porosidad,
textura superficial y discontinuidades, con la finalidad de recomendar un agregado grueso
idóneo para la fabricación de estructuras de concreto que vayan a estar expuestas
durante su vida en servicio a la abrasión y garantizar con esto una vida útil mayor.
Un objetivo paralelo es desmitificar una creencia popular que existe en la industria del
concreto: la que indica que un agregado grueso tiene, por el hecho de ser una caliza o un
basalto, un porcentaje estándar de pérdida por abrasión e impacto y, por consiguiente,
un comportamiento también estándar cuando se encuentra expuesto en la superficie de un
piso o un pavimento. Como se explica en este trabajo, no siempre sucede así; si bien es
cierto que algunos tipos de roca tienen en general características muy particulares de su
grupo, también es cierto que dentro de un mismo tipo de roca existen cambios sustanciales
en cuanto a sus propiedades de calidad física intrínseca se refiere, los cuales se
manifiestan mediante su evaluación físico-química de detalle.
Discusión
La resistencia a la abrasión y al impacto de un
agregado grueso se determina mediante una prueba con la máquina “Los Ángeles”
(prueba estadounidense) y la máquina de impacto (prueba inglesa) respectivamente. Los
resultados de estas pruebas son indicadores particulares de la calidad física del
agregado y deben relacionarse con la posibilidad que éste tiene para utilizarse en la
fabricación de pisos y pavimentos de concreto, donde los agregados estarán expuestos en
la superficie. Los agregados con altas pérdidas en estas pruebas se degradan fácilmente
y resulta difícil mantener su curva granulométrica intacta durante los procesos de
manejo del material (producción, transporte, almacenamiento, mezclado, etc.). Incluso en
el caso de que la pérdida sea extrema, se pueden crear problemas por cambio de
granulometría y formación de finos durante el mezclado del concreto o bien durante la
colocación y compactación del producto en su condición de exposición final. Los
agregados de este tipo también pueden desintegrarse rápidamente cuando se exponen al
tránsito y al ambiente, por lo que estas pruebas son indicadores del comportamiento real
del agregado.
Agregados constituidos por minerales suaves (el más común es la calcita, componente
básico de las calizas) o agregados cuyos granos están débilmente unidos o cementados,
como pueden ser algunos granitos o areniscas que se disgregan con gran facilidad, cuando
son utilizados en la producción de concreto disminuyen rápidamente la calidad
superficial de un elemento, piso o pavimento expuesto a la abrasión. Si se considera que
esta condición de los agregados depende de su calidad física intrínseca, se puede
establecer con claridad que los agregados se desgastan a velocidades diferentes, y que por
lo tanto se pueden tener tasas de pulido diferenciales. Dicha tasa de deterioro de los
agregados está influida por la dureza, composición mineralógica, porosidad, textura
superficial y sus discontinuidades; de éstas, sólo la última no corresponde a la
calidad física intrínseca del material, ya que corresponde y se debe al origen y
ambiente de depósito natural de los materiales. Un resumen de estas características en
diferentes grupos de rocas se presenta en el cuadro 1.
Dentro de los factores que inciden en el desgaste superficial de un concreto expuesto a la
abrasión, la resistencia aportada por el agregado grueso a este proceso juega un papel
fundamental, ya que, en caso de ser baja, se tendrá un desgaste y pulido en un tiempo
relativamente corto y recaerá en la calidad de la pasta el desempeño de esta función.
Esta capacidad del concreto para resistir el pulido se puede manejar a favor o en contra
si se conoce en detalle el comportamiento del agregado grueso a este tipo de deterioro, en
combinación con la calidad de la pasta de concreto que se emplee incluido el agregado
fino. Es decir, para garantizar una adecuada resistencia al desgaste y pulido se deberá
conjuntar como mínimo en el diseño de mezcla para esta aplicación, lo siguiente: el uso
de una pasta de alta calidad y la inclusión de un agregado fino de buena calidad, que
contenga como máximo 25 por ciento de material calcáreo4 y un agregado grueso
de buena calidad. La definición de este último punto es lo que se pretende en el
presente trabajo.
El otro aspecto importante de la resistencia a las patinadas al cual contribuye el
agregado es la adhesión de los neumáticos a la superficie. La textura de la superficie
del pavimento necesaria para esta adhesión la provee el agregado grueso expuesto y la
pequeña escala (menor de 0.5 mm) de textura superficial expuesta del agregado fino.8
Para que un agregado grueso sea efectivo, debe tener no sólo esta textura inicial, sino
también una composición que resista el desgaste o pulido de su textura con el tránsito.
Agregados gruesos de calizas puras pueden tener esta textura después del triturado, pero
debido a que están compuestos por minerales suaves (principalmente calcita) son
fácilmente pulidos; en condiciones de tránsito estos agregados no pueden mantener su
textura por un largo periodo (baja resistencia al pulido).6 En cambio, los
agregados obtenidos de areniscas a menudo tienen esta textura y pueden mantenerse en
condiciones aceptables bajo tránsito; esto se debe a que pueden estar constituidas
esencialmente por granos de cuarzo (mineral duro), desde luego, si están bien cementados
estos granos.
Las rocas ígneas tienen generalmente el potencial para proveer de una adecuada fricción
al pavimento; sin embargo, como se mencionó en un párrafo anterior, cada fuente de
agregado debe ser analizada por méritos propios (véase el cuadro 1) ya que minerales
suaves pueden ser abundantes en algunas rocas de estas clases. El agregado ideal debe
estar compuesto de un mineral muy duro (6-7) y un mineral de dureza media (4-5). Al tener
dos componentes relativamente duros se pueden obtener bajos niveles en el grado de
desgaste del agregado. La superficie textural del agregado y su resistencia al pulido
pueden evaluarse con la prueba estandarizada ASTM D-3319-97.
Las características físicas y químicas de los materiales que tienen relación con estas
propiedades son la composición química de una roca y la composición mineralógica. La
primera define la mineralogía del material y ésta, a su vez, la dureza de los minerales
y su resistencia a los procesos de alteración que pueden afectarlas, las cuales son
responsables de la resistencia que ofrece un agregado al desgaste por abrasión e impacto.
Conocer estas dos características implica determinar dos diferentes composiciones:
· La composición mineralógica se determina mediante
técnicas mineragráficas y petrográficas. La utilidad de estas determinaciones radica en
poder interpretar el comportamiento de los agregados en los procesos abrasivos con base en
sus características mineralógicas. Si bien es cierto que por grupo de roca podemos tener
una idea de su resistencia, la definición de la composición mineralógica y sus
características físicas mediante estas técnicas es una herramienta muy valiosa en la
caracterización de los agregados.
· La composición química se obtiene al realizar el
análisis químico de los agregados para definir el contenido de óxidos totales que, en
particular para este caso, permite definir el contenido de SiO2 (óxido de
sílice), el cual nos indica el porcentaje de cuarzo y/o silicatos que contiene el
material y nos da una idea de su potencial para desarrollar fases mineralógicas de mayor
resistencia física.
Pruebas de laboratorio
Descripción litológica de las rocas analizadas En el
cuadro 2 se describe por grupos litológicos las principales características de cada una
de las muestras de agregados a las que se realizaron pruebas de abrasión e impacto. Gráficas de resultados Las
siguientes gráficas muestran los resultados de las pruebas de abrasión e impacto
realizadas a los diferentes tipos litológicos que se utilizan como agregados.
La siguiente gráfica presenta los resultados de las pruebas de abrasión e impacto de las
mejores, regulares y peores rocas de los grupos litológicos caliza y basalto, que son las
rocas más utilizadas para elaborar pisos y pavimentos de concreto.
Análisis de resultados Existe una relación entre la litología de los
agregados y los valores obtenidos en las pruebas de impacto y abrasión. Los agregados
provenientes de rocas basálticas se mantienen en un intervalo de 5 a 14 por ciento y de
12.5 a 37 por ciento respectivamente, correspondiendo los extremos con un basalto
silicificado como material más resistente y un basalto vesicular o tezontle como material
menos resistente. Los agregados provenientes de calizas mantienen un comportamiento mucho
más uniforme, variando dentro de un intervalo de 9.81 a 16 por ciento en la prueba de
impacto y de 28 a 36 por ciento en la prueba de abrasión, con excepción del mármol, el
cual se consideró dentro de este grupo por ser mineralógicamente semejante a una caliza
pero de menor dureza. Para el caso de los granitos, los valores de pérdida por abrasión
varían desde 27 hasta 47 por ciento, considerando un granito sano y un granito alterado.
Mientras que en la prueba de impacto varían de 13 a 17 por ciento.
Una observación importante de esta relación es que los valores máximos de pérdida por
abrasión e impacto que presentan los agregados provenientes de una roca basáltica apenas
son comparables con los valores mínimos que presenta un agregado proveniente de una
caliza, incluso de un granito. Entonces, podemos argumentar que un agregado obtenido a
partir de un basalto va a tener por lo regular mejor resistencia al desgaste por abrasión
que un agregado obtenido a partir de una caliza, además de otras propiedades como es
mejor textura superficial. Por esta razón, siempre que sea posible, será recomendable
utilizar agregados de rocas basálticas cuando se quiera construir pisos y pavimentos
resistentes a la abrasión, desde luego, que cumplan con las especificaciones de norma.
La forma en que afecta la calidad de los agregados el grado de alteración de una roca se
manifiesta claramente en las pruebas realizadas en granitos, donde pueden presentarse
variaciones de cien por ciento en el valor de la pérdida por abrasión en un mismo tipo
de roca afectada por alteración. Por esto, es importante definir el grado de alteración
de la roca cuando se esté pensando en utilizarla como materia prima para producir
agregados. Aunque en los granitos es drástica la influencia del grado de la alteración
en la resistencia a la abrasión, en las rocas basálticas y andesíticas también se
puede presentar, lo mismo que, en menor proporción, en las rocas calizas. Para definir y
entender mejor esta condición de los diferentes tipos litológicos es necesario conocer
la génesis, los procesos físico-químicos que los han transformado, así como el tiempo
que estos procesos han actuado sobre los materiales.
Una vez analizados todos los resultados de pérdida por abrasión e impacto de los
diferentes tipos litológicos de agregados, se encontró que, independientemente de la
resistencia a la abrasión y al impacto y del tipo de roca, se mantiene una relación más
o menos constante entre el valor obtenido en la prueba de impacto y la prueba de
abrasión, la cual mantiene un promedio aproximado de 40 por ciento, esto es, sin
considerar los valores extremos que se deben a condiciones extraordinarias o poco comunes.
Podemos enunciarla de esta manera:
Factor de correlación: % Pérdida por impacto = 0.4% Pérdida por abrasión
Esta relación es muy interesante, ya que al conocer alguno de los dos datos de las
diferentes pruebas, podemos suponer un valor muy cercano al real de la otra prueba.
Resulta además atractiva si consideramos que la prueba de impacto es mucho más rápida
de realizar que la prueba de abrasión. Otro caso donde podría ser de gran utilidad
utilizar este factor es cuando no se tiene suficiente material para la ejecución de las
pruebas, ya que mientras para la prueba de abrasión en la máquina de Los Ángeles
necesitamos por norma una cantidad mínima de 5,000 g de muestra ya cribada, para la
prueba de impacto sólo se requieren unos 700 gramos.
Es muy importante aclarar que este factor de correlación no pretende eliminar o sustituir
alguna de las pruebas ya mencionadas; su única función es establecer esta relación
existente, la cual se ha definido como un factor de correlación, mismo que se podrá
considerar cuando se tenga información incompleta de un material que se quiera utilizar
como agregado grueso en estas condiciones de servicio.
Propuesta técnica Como resultado de la información manejada en este
artículo, se hace una propuesta técnica, dividida en dos diferentes aspectos. El primero
es puramente litológico y tiene relación directa con las propiedades de calidad
intrínseca de las rocas, las cuales definen el comportamiento del agregado al estar
colocado como parte integral del concreto que compone un piso o un pavimento. El segundo
aspecto lo constituyen los valores mínimos permisibles de porcentaje de pérdida en las
pruebas de abrasión e impacto. Todo esto, con la finalidad de establecer una guía
confiable en la selección de agregados gruesos utilizables en concretos expuestos a la
abrasión y al pulido e incluso en otras estructuras que estén sujetas a desgaste severo
por abrasión mecánica.
Esta propuesta recomienda que la roca que vaya a utilizarse como agregado grueso sea sana
en 90 por ciento como mínimo, lo cual significa que el grado de alteración deberá ser
mínimo, generalmente una delgada película en el nivel superficial. Además, que tenga
una dureza entre 6 y 7 según la escala de Mohs; esta propiedad es consecuencia de que la
composición de la roca sea principalmente silícea. La textura superficial de la roca
deberá ser áspera o microcristalina; esta propiedad, en conjunto con la dureza, asegura
que los agregados, aunque sufran desgaste, no propiciarán superficies lisas y / o
resbalosas, con lo que se logra prolongar la vida útil aun en condiciones de exposición
a la abrasión. Materiales que no tengan discontinuidades como fracturas, planos de
foliación, etc., que representan planos de debilidad. En caso de que los materiales sean
ásperos, porosos, su uso se condicionará a que cumplan con el límite mínimo permisible
de pérdida por abrasión e impacto, ya que, como se demuestra en los resultados de la
gráfica del tipo litológico basalto, cuando esta propiedad tiene valores altos, la
resistencia a la abrasión y al impacto tiene una disminución considerable y de carácter
proporcional.
No obstante que la norma ASTM C 33-967 especifica un máximo de 40 por ciento
de pérdida por desgaste, cuando los agregados se destinan a un concreto aplicado a pisos
y pavimentos, si se consideran los resultados de las pruebas realizadas se percibe
claramente que las calizas –aun las calificadas como de calidad media– cumplen
satisfactoriamente esta especificación. Sin embargo, se ha identificado en muchas
experiencias previas que los agregados provenientes de calizas, granitos y basaltos que
tengan valores de pérdida por desgaste superiores a 35 o 40 por ciento, difícilmente se
comportarán en forma adecuada en la pasta de cemento una vez que empiecen a sufrir los
efectos del desgaste. Por ello se propone que sólo los agregados que tengan como máximo
30 por ciento de pérdida por abrasión y 12 por ciento de pérdida por impacto se podrán
considerar adecuados para utilizarse en la fabricación de pisos y pavimentos de concreto
en condiciones severas de desgaste mecánico. Es importante mencionar que el grupo de
rocas identificadas como calizas, a pesar de cumplir con la mayoría de las condiciones
indicadas en esta propuesta, no tienen resistencia al pulido por carecer de minerales
duros en su composición. Conclusiones La
especificación límite para las pruebas de abrasión e impacto debe ser
redefinida, ya
que los valores que se tienen actualmente proporcionan una evaluación poco confiable.
Existe un factor de correlación entre la resistencia a la abrasión y la resistencia al
impacto del agregado grueso.
En una evaluación de la resistencia al desgaste y al pulido de los agregados gruesos, las
propiedades índice para definir su uso son: tipo y origen litológico, dureza, superficie
textural, resistencia a la abrasión y resistencia al impacto. Estas propiedades índice
deben ser evaluadas en conjunto y no como índices individuales.
Referencias 1. ASTM C
131-96 “Standard test method for resistance to degradation of small-size coarse
aggregate by abrasion and impact in the Los Angeles machine”.
2. ASTM C 535-96 “Standard test method for resistance to degradation of large-size
coarse aggregate by abrasion and impact in the Los Angeles machine”.
3. BS 812 “Resistencia al impacto para agregados”, British Standard.
4. M.R. Smith y L. Collis Editores, Áridos naturales y de machequeo para la
construcción, 2ª. ed., Colegio Oficial de Geólogos de España, Madrid, 1994.
5. La escala de dureza que se utiliza corresponde a la escala de dureza de Mohs utilizada
para los minerales y que varía desde 1 para el talco hasta 10, que corresponde al
diamante (tomado de: Manual para la identificación de rocas y minerales,
Cemex,
Dirección Técnica y Operación de Agregados, 1995.
6. ASTM D-3319-97 “Standard test method for accelerated polishing of aggregates using
the british wheel”.
7. ASTM C 33-96 “Standard specification for concrete aggregates”.
8. UNAM, Manual de tecnología del concreto, México, Instituto de Ingeniería de la
UNAM,
1994, sección 1, pp. 136-154.
9. T. Huang Walter, Petrología, UTEHA, 1968, pp. 106, 108 y 287.
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Resumen:
Dada la relación que existe entre ciertas características del
concreto que inciden en su vida útil y las características físicas de los agregados
gruesos, este estudio busca definir un tipo específico de agregado recomendable para la
fabricación de estructuras de concreto que vayan a estar expuestas a la abrasión y al
pulido. Para ello presenta los resultados de la evaluación petrográfica, la resistencia
a la abrasión y la resistencia al impacto de más de 25 bancos de agregado grueso
empleados en la producción de concreto, representativos de los materiales más comunes
que se utilizan en México. Se establecen grupos litológicos por origen y se discuten las
variaciones de las propiedades analizadas, además de determinar los parámetros de
comparación que permiten definir una propuesta técnica de evaluación de los agregados,
con base en su caracterización físico-química.
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