MÉTODO MECÁNICO PARA LA COMPACTACIÓN DEL CONCRETO La vibración (Parte I)

Published on Thursday, 29 January 2015 10:51

Written by Eduardo de J. Vidaud Quintana y Ingrid N. Vidaud Quintana

El propósito fundamental de la compactación del concreto es reducir al mínimo los perjudiciales vacíos u oquedades ocupados por aire, que normalmente quedan en la mezcla fresca recién colocada. Esto se logra compactando el material, con lo que se alcanzará una mezcla con una mayor densidad relativa, lo que propiciará una mayor resistencia (Fig. 1) y dura- bilidad en la estructura.

En general, compactar el material implica someter a las partículas sólidas a un movimiento que permita la ascensión del aire hasta su eliminación por la superficie superior del elemento compactado, sin que se produzca segregación.

Varios son los métodos que se utilizan en la actualidad con este fin; clasificán- dose en métodos manuales y mecánicos. Por lo que la selección del método más apropiado depende de varios factores como las características de la mezcla fresca, las condiciones del vertido, la complejidad de la estructura y de la cimbra, la canti- dad de refuerzo, y por supuesto, el grado en que se desee remover el aire atrapado.

os de los métodos manuales tradicionales son con fija o picado de barra y con pisón; mientras que entre los métodos mecánicos pueden citarse: la mesa de vibración, el pisón mecanizado y la vibración (Fig. 2). Jiménez Montoya refiere en su obra a los métodos especiales de compactación, entre los que describe al centrifugado, la inyección y la compactación por vacío.

El principal agente que se opone a la compactación es la fricción(1); fenómeno que puede presentarse en el concreto entre las partículas que lo componen, entre él mismo y el acero de refuerzo; así como entre el concreto y la cimbra, o entre el concreto y cualquier dispositivo embebido, como pueden ser las tuberías.

Un elemento muy importante a considerar al elegir un determi-nado método de compactación es la trabajabilidad de la mezcla; propiedad del concreto plástico que determina la facilidad con que esta puede ser mezclada, transportada, vertida, compactada y la trabajabilidad de la mezcla; propiedad del concreto plástico que determina la facilidad con que esta puede ser mezclada, transportada, vertida, compactada y terminada su superficie, sin perder su homogeneidad.

Por la importancia que tiene en la compactación, es necesario entender que la trabajabilidad es función directa de las propiedades reológicas de la mezcla fresca de concreto. Es decir: estabilidad, compactibilidad y movilidad, que respectivamente se manifiestan por el grado de segregación, el grado de densidad relativa obtenida y por la consistencia de la mezcla.

Para que el método de compactación elegido pueda garantizar una densidad relativa, la mezcla de concreto entonces debe ser lo suficientemente trabajable(2). Muchos autores han definido que una fluidez excesiva en una buena mezcla, resulta en general indeseable; pues se incrementa su costo y si se obtiene como resultado de un incremento excesivo del agua de mezclado, la mezcla será inestable, se se- gregará durante la compactación y disminuirá la calidad del concreto endurecido.

En general, se recomienda que los métodos manuales de compactación sean aplicables a elementos pequeños y preferiblemente no estructurales. De los méto- dos mecánicos de compactación del concreto, la vibración resulta ser el más am- pliamente utilizado; de sus principios, ventajas y limitaciones tratará este escrito.

El método de compactación por vibración se realiza por medio de equipos especialmente diseñados al efecto y consiste en someter a la mezcla fresca de concreto (una vez colocada en la cimbra) a impulsos vibratorios rápidos de 90 Hz de frecuencia o mayores, los que inciden en la mezcla reduciendo bruscamente la fric-ción interna entre las partículas de agregados. Bajo la acción de estos impulsos, el concreto fresco fluye como un líquido espeso y se extiende dentro de los moldes, mientras el exceso de aire escapa rápidamente a la superficie en forma de burbujas. Es bajo este efecto que el concreto se asienta con facilidad, bajo la acción de la gravedad. Una vez que cesa la vibración se restablece la fric- ción interna entre las partículas de la mezcla.

Para entender físicamente el método, L´Hermite expuso en su libro “A pie de Obra” el ejemplo del cubo de piedra sobre la tabla inclinada (Fig. 3a).

Tal y como se muestra en el ejemplo, para hacer deslizar el cubo serían necesarias una de dos condiciones: empujarle con una fuerza F (Fig. 3b), o aumentar la inclinación de la tabla; de manera que el ángulo de inclinación con la horizontal supere el valor del rozamiento entre la piedra y la tabla (Fig. 3c). Sin embargo, volviendo a la posición inicial, podría igualmente deslizarse el cubo (sin llegar a las condiciones anteriores) si se aplican pequeños golpes en la tabla (Fig. 3d) que hagan que el cubo se impulse y pueda llegar a deslizarse; sin necesidad de empujarle, incluso con una muy pequeña inclinación en la tabla. Este comportamiento precisamente explica el principio fundamental de la compactación por vibrado, que radica entonces en que la vibración anula el rozamiento.

Volviendo al ejemplo, la piedra es lanzada hacia arriba por el efecto de la vi- bración y durante intervalos muy cortos de tiempo, no está en contacto con la tabla; cayendo por su propio peso y en la dirección de la gravedad. El movimiento del bloque se produce entonces gracias a esta serie de pequeños saltos; los que L´Hermite relaciona con el trazo que describe la rana de la Figura 4, en su trayecto a la charca.

Si los cubos se presentan con diferentes densidades, tendrán diferente desliza- miento. Los más ligeros deslizan; mientras que los más pesados quedan quietos. El efecto del vibrador equivale a un empuje hacia arriba que reduce las fuerzas de contacto y se presenta como una fuerza expansiva que tiende a separar las superficies en contacto. Para permitir el movimiento sin rozamiento será necesario aplicar una energía vibratoria tal que la expansión supere la presión.

En el concreto sucede de forma similar. El efecto de la vibración es la reduc- ción o anulación del rozamiento interno (Fig. 5a), cuyas fuerzas se desarrollan principalmente entre las múltiples superficies de contacto de los agregados.

La resultante de estas fuerzas de rozamiento es un coeficiente global de rozamiento interno.

Las partículas vibran y se presionan unas a otras, cuya resultante es una presión que se traduce en expan- siones actuando en todas direcciones (Fig. 5b); oponién- dose a la presión exterior, peso propio y cohesión para mantener los granos separados por cortos intervalos de tiempo en que suelen girar, desplazarse y apretarse. En otras palabras, el vibrador crea una presión capaz de separar las partículas de agregados; reduciendo la fricción entre ellas.

En general, el mecanismo de acción de la vibración radica, en que el equipo que se utiliza en la compacta- ción del concreto desarrolla sus vibraciones en forma de rotación excéntrica; esta es la razón por la que las vibra ciones se generan en un flujo constante de ciclos que viaja a través del concreto, y se transmiten dentro y a través del medio en contacto con el vibrador, induciendo su energía a las partículas que componen la mezcla. Los componentes del ciclo de vibración son la amplitud, la frecuencia y la aceleración; estos términos se utilizan para describir las características de rendimiento de un determinado equipo de vibración.
La amplitud (D) es el desplazamiento máximo de un punto, salido del reposo, durante un ciclo de vibración. La mayoría de los vibradores de concreto operan con una amplitud oscilante entre 0.5 mm y 2.0 mm. La Frecuencia (f) se describe generalmente por el número de vibraciones por unidad de tiempo; 1 Hertz (Hz) = 1 vibración por segundo, o 60 vibraciones por minuto. El desplazamiento en cual- quier instante (t), durante una oscilación de onda sinusoidal simple, estará dado entonces por la Expresión 1:

Del mismo modo, la aceleración (A) en cualquier instante del ciclo se podrá
determinar según la Expresión 2:

En donde la aceleración máxima (A MAX) puede ser estimada según la Expresión

3. En la Figura 6 se ilustra la terminología definida.

En Suecia, la organización Dynapac llevó a cabo estudios encaminados a correlacionar la amplitud de las vibraciones internas con las frecuencias, durante el proceso de vibración del concreto. Los estudios concluyeron que existe una combinación óptima de las condiciones de vibración en la respuesta de la mezcla vibrada (Fig. 7a y 7b).

En la segunda parte de este escrito se continuará haciendo referencia al pro- ceso de vibrado y sus principales ventajas; también se clasificarán los equipos vibradores, evidenciando sus características más universales.