Este documento describe los pasos para diseñar mezclas de concreto de cemento Portland. Explica que primero se deben determinar los requisitos de resistencia y la relación agua-cemento requerida. Luego, se evalúan las necesidades de árido grueso, aireación, agua y cemento. Finalmente, se realizan mezclas de prueba para verificar que se cumplan los requisitos de diseño. El documento proporciona ejemplos para ilustrar cada paso del proceso de diseño de mezclas.

1. CONCRETO DE CEMENTO
PORTLAND
MSc. Hebert Vizconde Poémape
FACULTAD DE INGENIERIA
Escuela de Ingeniería civil

2. Introducción
Los ingenieros civiles y de la construcción son diretamente respondables del
control de calidad del concreto de cemento Portland, asi como de las
proporciones de los componentes utilizados en él. La calidad del concreto
esta determinada por la composicion química del cemento Portland, la
hidratacion y el desarrollo de la microestructura, los aditivos y las
características del árido. La calidad tambien se ve afectada en gran medida
por la colocación, la consolidación y el curado del hormigon.

3. Proporciones para las mezclas de concreto
• Las proporciones de la mezcla de concreto afectan a sus propiedades,
tanto en estado plástico como sólido. En el estado plástico, lo que
preocupa al ingeniero es la facilidad de trabajar el concreto y las
características de acabado. Entre las propiedades del concreto
endurecido que tienen gran importancia podemos citar la resistencia,
el módulo de elasticidad, la durabilidad y la porosidad.

4. Proporciones para las mezclas de concreto
• La PCA especifica tres cualidades para decidir las mezclas de
hormigón (concreto) con las proporciones adecuadas (Kosmatka et
al., 2002):
1. Facilidad de trabajar el hormigón mezclado fresco.
2. Durabilidad, resistencia y apariencia uniforme del concreto
endurecido.
3. Economía.

5. El método basado en el volumen absoluto
Utiliza la gravedad específica de cada ingrediente para calcular el
volumen unitario que cada uno de ellos ocupará dentro de una unidad
de volumen de concreto.
E l método del volumen absoluto es más preciso que el método basado
en el peso. El proceso de diseño de la mezcla para los métodos basados
en peso y en volumen absoluto solo difieren en la forma de determinar
la cantidad de árido fino.

6. Pasos básicos para los métodos basados en el
peso y en el volumen absoluto
1. Evaluar los requisitos de resistencia.
2. Determinar la relación agua-materiales cementosos requerida.
3. Evaluar las necesidades de árido grueso.
■ Tamaño máximo del árido grueso.
■ Cantidad de árido grueso.
4. Determinar los requisitos de aireación.
5. Evaluar los requisitos relativos a la facilidad de trabajar el concreto plástico.
6. Estimar el contenido de agua requerido en la mezcla.
7. Determinar el contenido de materiales cementosos, así como su tipo.
8. Evaluar la necesidad y la velocidad de aplicación de aditivos.
9. Evaluar las necesidades de árido fino.
10. Determinar las correcciones de humedad necesarias.
11. Realizar y ensayar una serie de mezclas de prueba.

7. 1. Requisitos de resistencia
Para calcular los requisitos de resistencia para el diseño de mezclas de
hormigón, debemos conocer tres valores:
Uso de la distribución normal y de los criterios de riesgo para estimar la resistencia media requerida del
concreto.
1. La resistencia a la compresión especificada f’c .
2. La variabilidad o desviación estándars del hormigón.
3. E l riesgo máximo admisible de fabricar concreto con una
resistencia inaceptable.
f’cr = valor medio requerido de resistencia a la compresión, MPa o psi.
f’c = resistencia a la com presión especificada, MPa o psi.
s = desviación estándar, M Pa o psi.

8. 1. Requisitos de resistencia
• Para mezclas con una gran desviación estándar de la resistencia, el
ACI ha enunciado otro criterio de riesgo que establece que:
válida para las unidades del sistem a internacional (SI). Si se emplean
unidades americanas, fcr, f’c y S se miden en psi y la constante 3,45 de
la Ecuación 2 debe cambiarse por 500.

9. 1. Requisitos de resistencia
La desviación estándar debe determinarse utilizando al menos 30
pruebas de resistencia. Si la desviación estándar se calcula utilizando
un número de muestras comprendido entre 15 y 3 0, entonces hay que
multiplicarla por el siguiente factor, F, para determinar la desviación
estándar modificada s’

10. 1. Requisitos de resistencia
Para un número intermedio de pruebas, se utiliza una interpolación
lineal; s' se usa en lugar de s en las Ecuaciones 1 y 2.
Si se han realizado menos de 15 pruebas, hay que aplicar los siguientes
ajustes a la resistencia especificada, en lugar de emplear las Ecuaciones
1 y 2:

11. Ejemplo 1
El ingeniero de diseño especifica una resistencia del hormigón de 31,0
MPa (4.500 psi). Determine el valor medio requerido de resistencia a la
compresión para:
a. una nueva planta cuya S es desconocida.
b. una planta para la que S = 3,6 MPa (520 psi) para 17 resultados de
prueba.
c. una planta de fabricación con un documentado historial de
producción de hormigón con S = 2,4 MPa (350 psi)
d. una planta de fabricación con un documentado historial de
producción de hormigón con S = 3,8 MPa (550 psi)

12. 2. Relación agua-materiales cementosos
Curvas de resistencia para una mezcla de prueba o para datos
históricos.
Se utilizan registros históricos para dibujar una
curva de la resistência en función de la re
lación agua - materiales cementosos , como la
mostrada en la figura.
Si no hay disponibles datos históricos, se
fabrican tres lotes condiferentes relaciones
agua – materiales cementosos para construir
una curva similar a la de la Figura

13. Cuando no haya otros datos disponibles, puede utilizarse la Tabla 7 .1
para estimar las relaciones agua - materiales cementosos de las
mezclas de prueba .

14. Para pequeños proyectos o aplicaciones no críticas, puede emplearse la
Tabla 7.2 en lugar de las mezclas de prueba, siempre con el permiso del
ingeniero de proyectos.

17. 3. Necesidades de árido grueso
En general, los áridos de granulometría mayor y más densa
proporcionan las mezclas más económicas. Los áridos de gran tamaño
minimizan la cantidad de agua requerida y reducen, por tanto, la
cantidad de cemento necesaria por cada metro cúbico de mezcla. Los
áridos redondeados requieren menos agua que los áridos angulares
para mantener una facilidad de trabajo del hormigón constante.

18. 3. Necesidades de árido grueso
El tamaño máximo admisible del árido está limitado por las
dimensiones de la estructura y por las capacidades de los equipos de
construcción utilizados. Debe usarse el tamaño máximo de árido que
resulte práctico, teniendo en cuenta las condiciones de trabajo, y que
también satisfaga los límites de tamaño indicados en la siguiente tabla:

19. Ejemplo 2
Se desea construir una estructura de hormigón con una dimensión
mínima de 0,2 m, un espacio mínimo entre las barras de armadura de
40 mm y un recubrimiento mínimo de las barras de armadura de 40
mm. Localmente, hay disponibles dos tipos de árido, con tamaños
máximos de 19 mm y 25 mm , respectivamente.
Si ambos tipos de áridos tienen prácticamente el mismo coste, ¿cuál de
ellos es más adecuado para esta estructura?

20. 3. Necesidades de árido grueso
• La granularidad de los áridos finos está definida por el módulo de
finura. El módulo de finura deseable dependerá del tamaño del árido
grueso y de la cantidad de pasta de cemento. Para las mezclas con un
bajo contenido en cemento, es aconsejable utilizar un módulo de
finura bajo, con el fin de mejorar la facilidad de trabajar la mezcla.
• Una vez determinado el módulo de finura del árido fino y el tamaño
máxim o del árido grueso, se calcula el volumen de árido grueso por
unidad de volumen del hormigón, utilizando la Tabla 7.5.

22. 4. Necesidades de aireación
La cantidad de aire requerida varía dependiendo de las condiciones de exposición y
se ve afectada por el tamaño de los áridos. Los niveles de exposición se definen
como sigue:
• Exposición pequeña: instalación en interiores o exteriores en la que el hormigón no
esté expuesto a la congelación y a la acción de sales anticongelantes . La aireación
puede mejorar la facilidad de trabajo con el hormigón .
• Exposición moderada: existe algo de exposición a la congelación, pero el hormigón
no está expuesto a la humedad o al agua durante largos periodos antes de la
congelación. El hormigón no está expuesto a la acción de sales anticongelantes .

23. 4. Necesidades de aireación
• Entre los ejemplos podríamos citar vigas, pilares, muros, etc. no
expuestos al contacto con un suelo húmedo .
• E xposición severa: el hormigón está expuesto a la acción de sales
anticongelantes, a
• la saturación o al agua. Como ejemplos podríamos incluir los
pavimentos, cubiertas de puentes, bordillos, canalones, revestimientos
de canales, etc .

25. 5. Facilidad de trabajo con el hormigón
• La trabajabilidad se define como la facilidad de colocacion y acabado
del hormigon mesclado fresco. Debe poderse trabajar facilmente con
el hormigon, pero no debe segregarse ni exudar de manera excessiva
(migracion del agua hacia la superfície superior del hormigon)

26. 6. Contenido de agua requerido
• Depende de la forma y del tamaño máximo de los áridos y de si se
utiliza un agente de aireación. La Tabla 7.8 detalla los requisitos
aproximados de agua de mezcla para áridos gruesos angulares (piedra
triturada).

28. 7. Contenido de materiales cementosos
requerido
• Se determina la cantidad de materiales cementosos requerida para la
mezcla dividiendo el peso del agua entre la relación agua-materiales
cementosos.

29. 8. Necesidades de aditivos
• Si se emplean uno o más aditivos para proporcionar una calidad
específica al hormigón, es preciso tener en cuenta sus
correspondientes cantidades a la hora de establecer las proporciones
de la mezcla. Los fabricantes de aditivos proporcionan información
específica sobre la cantidad de aditivo necesaria para conseguir los
resultados deseados

30. 9. Necesidades de árido fino
• E l método de diseño de la mezcla basada en el peso utiliza la Tabla
7.10 para estimar el peso total de un hormigón mezclado fresco
“típico” para diferentes tamaños de árido. E l peso de los áridos finos
se determina restando el peso de los demás ingredientes del peso
total. Puesto que la Tabla 7.10 está basada en una mezcla “típica”, el
método de diseño basado en peso es aproximado.
• En el método de diseño de mezclas basado en el volumen absoluto,
se utilizan el peso de los componentes y la gravedad específica para
determinar los volúmenes del agua, del árido grueso y del cemento.

32. 10. Correcciones de la humedad
• Por tanto, el paso final en el proceso de diseño de mezclas consiste en
ajustar el peso del agua y de los áridos para tener en cuenta el
contenido de humedad de los áridos. S i este contenido de humedad
es mayor que el grado de humedad en el estado SSD , habrá que
reducir el peso del agua de mezcla en una cantidad igual al peso libre
de humedad existente en los áridos. De forma similar, si el grado de
humedad está por debajo del correspondiente al estado SSD , habrá
que incrementar la cantidad de agua de la mezcla.

33. 11. Mezclas de prueba
• Después de calcular las cantidades requeridas de cada ingrediente, se
realiza la mezcla de un lote de prueba para comprobar el diseño de la
mezcla. Se fabrican tres cilindros de 0,15 m X 0,30 m (6 pulg. X 12
pulg.), se curan durante 28 días y se prueban para determinar su
resistencia a la compresión. Además, se mide el contenido de aire y el
grado de asentamiento del hormigón fresco. S i el asentamiento, el
contenido de aire o la resistencia a la compresión no cumplen los
requisitos establecidos, será necesario ajustar la mezcla y fabricar
otros lotes de prueba hasta que se satisfagan completamente los
requisitos de diseño.

34. Ejemplo 3
Se está trabajando en el diseño de una mezcla de hormigón que requiere
que cada yarda cúbica de hormigón tenga una relación agua-materiales
cementosos igual a 0,43; 2077 libras/yd3 de grava seca, 244 libras/yd3 de
agua y un 4% de contenido de aire. La grava disponible tiene una gravedad
específica de Ggrava = 2,6, un grado de humedad del 2,3% y una absorción del
4,5% . La arena disponible tiene una gravedad específica de Garena = 2,4, un
grado de humedad del 2,2% y una absorción del 1,7%. Hay que incluir un
agente de aireación utilizando la especificación del fabricante que indica que
hay que emplear 0,1 onzas líq./1% aire /100 libras de cemento.
Para cada yarda cúbica de hormigón necesaria en la obra, calcule el peso del
cemento, de la grava húmeda, de la arena húmeda y del agua que hay que
añadir al lote. Realice un resumen y especifique los valores totales para el
diseño de la mezcla una vez que haya acabado.

35. Ejemplo 4
Diseñe una mezda de hormigón para las siguientes condiciones y restricciones
utilizando el método basado en el volumen absoluto:
Entorno de diseño
Pilar de un puente expuesto a congelación y sujeto a la acción de productos
químicos anticongelantes.
• Resistencia de diseño requerida = 24,1 MPa (3500 psi)
• Dimensión mínima = 0,3 m (12 pulgadas)
• Espacio mínimo entre barras de arm adura = 50 mm (2 pulgadas)
• Recubrimiento mínimo sobre barras de armadura = 40 mm (1,5 pulgadas)
• Se espera una desviación estándar de la resistencia a la compresión de 2,4 MPa
(350 psi) (más de 30 muestras).
• Sólo se permite utilizar un agente de aireación.

36. Materiales disponibles
• Cemento Seleccione el Tipo V debido a las condiciones de exposición.
• Aireación
• Especificación del fabricante: 6,3 ml/1% aire/100 kg de cemento (0,1 onza líq. /1% aire/100 libras de
cemento)
• Árido grueso
• 25 mm (1 pulgada) tamaño máximo, grava de río (redondeada).
• Gravedad específica en estado seco = 2,621; absorción = 0,4%
• Densidad del árido apisonado en seco = 1681 kg/m3 (105 pcf : 105 libras por pie cubico)
• Contenido de humedad = 1,5%
• Árido fino
• Arena natural
• Gravedad específica en estado seco = 2,572; absorción = 0,8%
• Contenido de humedad = 4%
• Módulo de finura = 2,60

37. Mezclas de concreto para proyectos de
pequeña envergadura

39. Ejemplo 5
• Determine los pesos requeridos de los ingredientes para fabricar un
lote de 3500 libras de mezcla de hormigón sin airear con un tamaño
máximo de grava de 1/2 de pulgada.

40. Ejemplo 6
• Determine los volúmenes requeridos de los ingredientes para fabricar
un lote de 0,5 m3 de mezcla de hormigón aireado con un tamaño de
grava máximo de 19 mm.

41. Ejercicios propuestos
1. El ingeniero de diseño especifica una resistencia del hormigón de
5500 psi. Determine el valor medio requerido de la resistencia a la
compresión de:
a. Una nueva planta donde s se desconoce.
b. Una planta de fabricación con s = 500 psi para 22 resultados de
prueba.
c. Una planta con un largo historial de producción de hormigón con s =
400 psi.
d. Una planta con un largo historial de producción de hormigón con s =
600 psi.

42. Ejercicios propuestos
2. Un proyecto especifica una resistencia del hormigón de 24,1 MPa.
Los ingenieros de materiales diseñarán la mezcla de modo que se
obtenga una resistencia superior a esta, para tener en cuenta las
variabilidades.
a. Calcule el valor medio requerido de resistencia a la compresión del
diseño de la mezcla, si la planta de mezclado tiene una desviación
estándar de s = 3,8 MPa.
b. Utilizando la ecuación del código ACI, estime cuál será el módulo de
elasticidad de este hormigón para la resistencia a la com presión
requerida.

43. Ejercicios propuestos
2. Un proyecto especifica una resistencia del hormigón de al menos
3000 psi. Los ingenieros de materiales diseñarán la mezcla para
obtener una resistencia mayor que esa. Calcule el valor medio de la
resistencia a la compresión en el diseño de la mezcla si la desviación
estándar es s = 350 psi. Estime el módulo de elasticidad del hormigón
para ese valor medio requerido de resistencia a la compresión (la
resistencia calculada, no la resistencia dada).

44. Ejercicios propuestos
4. ¿Cuál sería su recomendación para el tamaño máximo nominal del
árido grueso en la siguiente situación?
Una sección transversal de un pavimento de hormigón con armadura
continua contiene una capa de barras de armadura NQ 6 con 6
pulgadas entre centros, de modo que el acero está justo por encima del
punto central de una losa de 1 0 pulgadas de espesor. La cubierta por
encima de la parte superior del acero es por tanto de unas 4 pulgadas.

45. Ejercicios propuestos
5. Una mezcla de hormigón con un grado de asentamiento de 3
pulgadas, una relación agua-cemento de 0,50 y una arena con un
módulo de finura de 2,4 , contiene 1.700 libras de árido grueso. Calcule
el peso requerido de árido grueso por yarda cúbica. Para ajustar la
mezcla con el fin de incrementar la resistencia a la compresión, la
relación agua-cemento se reduce a 0,45. ¿La cantidad de árido grueso
se incrementará, se reducirá o continuará siendo la misma? Explique su
respuesta.