Curso Taller de Actualización para Técnicos de Pavimentos Asfálticos

Concreto Hidráulico en Obras de Drenaje para Carreteras

Concreto

Mezcla de

Agregados

Pasta

Grava

Arena

Cemento

Agua

Aditivos

Adiciones

Retardantes, acelerantes,

reductores, etc.

Fibras de metal, fibras de

plástico, hule de llanta,

etc.

Además del concreto existen otras mezclas elaboradas con otros materiales

cementantes con base de caliza o calcita, que tienen características

aglutinantes, por ejemplo:

Otras Mezclas

Concreto Hidráulico = Cemento Pórtland+Agua+Grava+Arena+Aditivos+Adiciones

Mortero = Cemento Pórtland + Agua + Arena + Aditivos

Lechada = Cemento Pórtland + Agua + Aditivos

Mortero con cal = Cal hidráulica (viva o apagada) + Agua + Arena

Cemento Pórtland

Es un polvo fino que cuando se mezcla con agua se convierte en un

pegamento que mantiene a los agregados unidos en el concreto.

Principales

componentes

del Cemento:

• Calcio

• Sílice

• Alúmina

• Hierro

Alita C3S (CaO)3 . SiO2

Belita C2S (CaO)2 . SiO2

Aluminato C3A (CaO)3 . Al2O3

Ferroaluminato C4AF (CaO)4 . Al2O3 . Fe2O3

CALIZA

MIN. FIERRO

ARCILLA / CAOLÍN

40-70%10-35%0-13%5-14%

Principales componentes del clinker

CLINKERCALCINACIÓN EN HORNO

Tipos de Cemento Pórtland (Normativa SCT):

El concreto es una mezcla de

materiales que se endurece por la

reacción de los componentes del

cemento con el agua (hidratación),

su principal característica es que

resiste esfuerzos de compresión y

de forma intermedia los esfuerzos

de cortante, pero tiene baja

resistencia ante los esfuerzos de

tensión y flexión, por lo que se

requiere de un diseño especial o el

uso de otros elementos como el

acero (armaduras), el cual se

coloca en función de los esfuerzos

que va a soportar el concreto, de

las condiciones de trabajo y del

medio ambiente, a las que estará

expuesto este material.

Concreto

Características Físicas y Mecánicas del Concreto

Las principales características físicas del concreto, son:

Masa = 1,200 – 3,000 kg/m3

f´c = 100 – 1,100 kg/cm2 (10 – 108 MPa)

Resistencia a la tensión ≃ 0.1 f´c

Resistencia a la flexión = 30 – 48 kg/cm2

Módulo de elasticidad = 140,000 – 465,000 kg/cm2

Tiempo de fraguado = 2 hr promedio (depende de la

humedad y temperatura del lugar)

Tiempo de endurecimiento = progresivo

Dilatación y expansión = similar al acero.

Formación del Concreto

El proceso de fraguado y endurecimiento es el resultado de reacciones

químicas de hidratación entre los componentes del cemento. La fase inicial

de hidratación se llama fraguado y se caracteriza por el cambio del estado

fluido de la pasta al estado sólido. Posteriormente continúan las reacciones

de hidratación alcanzando a todos los constituyentes del cemento que

provocan el endurecimiento de la masa y que se caracterizan por un

progresivo desarrollo de la resistencia del concreto.

Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento

(izquierda aumento 500x y derecha aumento 1000x)

Durante el proceso de hidrataciónse genera calor, lo que ayuda aldesarrollo de la resistencia delconcreto, pero deberá controlarseen elementos masivos, ya que sepuede generar una diferenciatérmica perjudicial entre el centrodel elemento y la superficie,provocando cambios volumétricosdiferenciales que generarán fisuras.

Formación del Concreto

En el fenómeno físico de endurecimiento del concreto, las partículas o granos del

cemento que se encuentran como polvo, se hidratan progresivamente formando

compuestos cristalinos y una gran parte de compuestos microcristalinos. El primer

componente en reaccionar es el Aluminato Tricálcico, con una duración corta (7-

28 días); después lo hace el Silicato Tricálcico, con una aportación estructural

importante, que continúa durante bastante tiempo. En este periodo, también el

Silicato Bicálcico reacciona, con una aportación inicial débil, pero muy importante

a partir de los 28 días. En este proceso el endurecimiento continúa, aglutinando

los materiales internos del cemento y externos de la mezcla del concreto, como

son los agregados.

Cubrimiento de agregados por la pasta de cemento (grava redondeada y grava triturada)

Partícula no hidratada Inicio de hidratación

Hidratación en proceso Hidratación avanzada

Características Físicas del Concreto: Consistencia

Es la característica del concreto en estado fresco para deformarse, adoptando

la forma con que se moldee, en la que influyen: cantidad de agua; tamaño,

forma y cantidad de las partículas, cantidad de vacíos, temperatura del lugar,

etc.

La consistencia se fija antes de iniciar la obra, analizando cual es el valor que

permitirá su fácil y adecuada colocación, según los medios de colado, extendido

y compactación de que se disponga o se requieran para el elemento a construir

y se mide mediante la prueba de revenimiento o extensibilidad.

Consistencias del concreto en diferentes tipos de mezclas

Características Físicas del Concreto: Consistencia

Los concretos se clasifican por su consistencia en: secos, plásticos, blandos y

fluidos, como se presenta en la siguiente tabla.

Consistencia Revenimiento (cm) Compactación

Seca 0 – 2 Vibrado

Plástica 3 – 5 Vibrado

Blanda 6 – 9 Varillado

Fluida 10 – 20 Varillado

Aguada > 20 (extensividad) Varillado (si se requiere)

Características Físicas del Concreto: Cohesión

Es la característica que presenta el concreto para mantener unidos sus

componentes. También se le conoce como resistencia a la segregación.

Mezclas muy cohesivas no se segregan fácilmente.

Mezclas poco cohesivas presentan una tendencia fuerte a segregarse.

Mezcla cohesiva Mezcla poco cohesiva

Características Físicas del Concreto: Trabajabilidad

Es la facilidad del concreto en estado fresco para mezclarlo, colocarlo o colarlo,

extenderlo y compactarlo, depende principalmente de su consistencia,

características de los agregados (tamaño, forma y textura) y la proporción de

sus materiales. Por lo tanto, si se requiere aumentar la trabajabilidad del

concreto, habrá que aumentar la cantidad de pasta o mortero y no la cantidad

de agua.

Características Físicas del Concreto: Segregación

Es una característica indeseable del concreto en estado fresco, ya que es el

efecto de separación entre la pasta y los agregados y no permite homogeneidad

en la mezcla y por lo tanto en el elemento a colar, generando zonas débiles en

la estructura que se construya.

Características Físicas del Concreto: Sangrado

Es el desarrollo de una lámina de agua en la superficie del concreto recién

colocado y es causada por el asentamiento por gravedad de las partículas

sólidas (cemento y agregados) y la subida de agua hacia la superficie.

Se considera un proceso normal en el concreto y no disminuye su calidad ni

resistencia, pero deberá controlarse para no afectar las propiedades de la

superficie de concreto, provocando fisuras y debilitamiento.

Exudación de agua

Tipos de Concreto

Comercialmente, las empresas productoras del concreto consideran 3

clasificaciones:

Tipo Resistencia (f´c) Tipo de Agregado

Convencional < 250 kg/cm2 Baja Resistencia

Estructural > 250 kg/cm2 Alta Resistencia

Especial CualquieraCaracterísticas de

acuerdo al producto

Concretos Especiales

Arquitectónico o Decorativo

Rápidos o de Resistencia Acelerada

Con Fibras

Concretos Especiales

Mortero Fluido

Compactado con Rodillos

Autoconsolidante

Concretos Especiales

Permeable

Aislante Térmico

Resistente a Flexión

Por la aportación de las características de los agregados, este tipo de concretos ofrece cierta resistencia a la

flexión, para su uso en pavimentos urbanos, carreteros y aeroportuarios, así como en pisos industriales, para

bodegas de almacenamiento y patios de maniobras.

Obras de Drenaje para Carreteras

Son elementos que sirven para captar, desalojar, reducir, eliminar y conducir

agua superficial o subterránea fuera del área de afectación de una vía de

comunicación, como son terraplenes, cortes y superficies de rodamiento.

Para su diseño se toman en cuenta factores y características climatológicas y

geotécnicas del lugar, así como la geometría de la carretera.

El tipo de agua que más afecta es la de lluvia, la cual escurre superficialmente,

se infiltra al subsuelo o se evapotranspira.

Obras de Drenaje para Carreteras

Los factores que afectan el escurrimiento del agua en la superficie

terrestre son:

a) Cantidad de precipitación

b) Tamaño de la cuenca

c) Pendiente del terreno

d) Permeabilidad del suelo

e) Cantidad y tipo de vegetación

Clasificación de Obras de Drenaje para Carreteras

Las obras de drenaje se clasifican en superficial o subterráneo, dependiendo

del nivel en el que el agua escurra, sobre las capas de la corteza terrestres o

a través de ellas.

En el caso del drenaje superficial se encuentran dos grupos de obras o

estructuras para el drenaje del agua:

a) Longitudinales: cunetas, contracunetas, bordillos y canales. Estas obras se

construyen paralelas al eje del camino y también se les denomina

“complementarias”, por su ubicación sobre o cerca de la superficie de la

corona del camino e interacción con el pavimento.

b) Transversales: tubos, losas, cajones, bóvedas, lavaderos, vados, sifonesinvertidos, puentes y el bombeo (pendiente transversal) de la corona.

Estas estructuras permiten el paso transversal del agua, con respecto al

eje del camino, para evitar su encharcamiento y desalojo expedito y se

subdividen en drenaje mayor y menor, siendo las primeras para claros

superiores a 6 m y las segundas, del tipo alcantarilla.

Materiales para la Construcción de Obras de Drenaje

Los materiales que se utilizan para construir las obras de drenaje en una

carretera son:

a) Concreto Hidráulico.

b) Mampostería.

c) Lámina de Acero.

d) Acero Estructural.

e) Morteros

La calidad de estos materiales y su procedimiento de construcción estará

indicada en el proyecto, apegándose a las normas en vigor y

especificaciones particulares de las obras.

• SCT

• NMX-ONNCE

• ASTM

• ACI

• AASHTO

Obras de Drenaje Longitudinal: Cunetas

Son canales que se construyen en los cortes a los lados del camino y su

función es interceptar el agua que escurre de la corona, del talud de corte y

del terreno natural adyacente, para conducirla hacia una corriente natural u

obra transversal, alejándola de la vialidad.

Su sección es triangular, con una profundidad de 33 cm y un ancho de 100

cm. La longitud recomendada es de 250 m y para mayores longitudes se

deberá construir una obra de alivio que permita reducir esa longitud para

captar y conducir el caudal de la cuneta aguas abajo y fuera del camino.

Sección transversal de una cuenta

Cuneta y cuenta con obra de alivio

(´f’c = 150 kg/cm2)

Obras de Drenaje Longitudinal: Contracunetas

Son zanjas que se construyen aguas arriba de los ceros de los cortes y su

finalidad es interceptar el agua que escurre por las laderas y conducirla hacia

alguna cañada inmediata o a una parte baja del terreno, evitando que el agua

que escurra por los taludes los erosione. Pueden ser revestidas, sin revestir o

impermeabilizadas con concreto hidráulico f’c=150 kg/cm2 (mínimo)

La sección de las contracunetas generalmente es de forma trapezoidal y se

recomiendan las dimensiones mínimas de 0.8 m de ancho y 0.50 m de

profundidad. El talud aguas abajo será el suficiente para evitar que la

estructura no se derrumbe y el talud aguas arriba, deberá ser igual o mayor

para evitar que se erosione por el escurrimiento. También se deberá

considerar una berma mínima de 0.50 m antes de la ubicación del talud aguas

abajo. Su pendiente longitudinal estará limitada por la velocidad de erosión de

los materiales en los que se aloje. Cuando se requiera, las zonas de desfogue

se deberán proteger con un zampeado o revestimiento de concreto.

Obras de Drenaje Longitudinal: Contracunetas

Sección transversal

ContracunetaH/2 - H

Obras de Drenaje Longitudinal: Bordillos

Son pequeños elementos, generalmente de concreto hidráulico, que se

colocan en el lado exterior del acotamiento, en las secciones en tangente; en

el borde opuesto al corte, en las secciones en balcón y en la parte interior de

las secciones en curva. Estos elementos forman una barrera para conducir el

agua hacia los lavaderos, evitando la erosión de los taludes y saturación de

las terracerías, por el agua que cae sobre la corona del camino.

Bordillos y guarniciones de concreto hidráulico de f’c = 150 kg/cm2

Obras de Drenaje Longitudinal: Canales de Encauzamiento

En los terrenos sensiblemente planos, en los cuales el escurrimiento es de

tipo torrencial y no existen causes definidos, es necesario construir canales

que intercepten el agua antes de que ésta llegue al camino y la conduzcan a

un sitio en donde se pueda construir una obra transversal y efectuar el

encauzamiento para desalojar el agua.

Canal lateral de encauzamiento con concreto

hidráulico de f’c = 150 kg/cm2 (mínimo)

Obras de Drenaje Transversal: Tubos

Los tubos son alcantarillas de sección interior circular y que requieren un

espesor de terraplén o un colchón mínimo de 0.60 m para un mejor

funcionamiento estructural. El material utilizado para estos elementos puede

ser concreto simple, concreto reforzado, lámina ondulada o polietileno de alta

densidad.

Tubos de concreto reforzado

Alcantarilla con tubos dobles

Reconstrucción de alcantarilla de tubo

Obras de Drenaje Transversal: Losas

Para estas estructuras se construyen muros (estribos) de mampostería o

concreto, sobre los que se apoya una losa de concreto reforzado. Cuando la

resistencia del terreno es baja, a los muros se les construye una cimentación

de concreto hidráulico (f´c = 100 kg/cm2) con armado por temperatura.

Las losas también requieren de otros

elementos de concreto o mampostería,

como son: piso zampeado y alerones en la

entrada y salida de la obra. Se recomienda

que el descimbrado de las losas se haga

entre los 15 y 21 días después del colado.

Alcantarillas con losa de

concreto

Obras de Drenaje Transversal: Cajones

Son estructuras de sección rectangular con paredes, techo y piso de concreto

hidráulico reforzado, con resistencia f’c= 250 kg/cm2, que trabajan en conjunto

como un marco rígido que absorbe el peso y el empuje del terraplén, la carga

viva y las reacciones del terreno. Tanto las losas como los muros son

delgados y de poco peso, con una amplia superficie de sustentación.

Ampliación de una alcantarilla tipo cajónAlcantarilla tipo cajón

Obras de Drenaje Transversal: Bóvedas

Son estructuras cuya sección transversal interior está formada por tres partes

principales: piso, muros y un arco circular formando el techo o clave. En

general, las bóvedas se construyen con mampostería, con excepción del arco

que es de concreto simple (f´c= 150 kg/cm2). Se recomienda que la clave se

descimbre a los 14 días. A estas estructuras también las complementan los

alerones a la entrada y salida de la obra, así como un zampeado para evitar la

erosión del suelo en estas zonas.

Obras de Drenaje Transversal: Lavaderos

Los lavaderos son canales que se conectan con los bordillos y bajan,

transversalmente a la corona, por los taludes del terraplén; su función es

conducir el agua de lluvia que escurre por los acotamientos hasta lugares

alejados de los terraplenes, en donde no generen ninguna afectación. Su

ubicación es variable, desde 40 hasta 100 m y pueden ser de mampostería,

concreto hidráulico simple (f’c=100 kg/cm2) o formados con medio tubo de

lámina.

Obras de Drenaje Transversal: Vados

Son estructuras de concreto simple o armado, que se construyen a nivel de

rasante y con claros pequeños, para permitir el paso de agua sobre el camino

en sentido transversal, cuando se presenta un escurrimiento provocado por

una tormenta, deshielo, desbordamiento de ríos y arroyos perennes o

intermitentes. La resistencia mínima del concreto deberá ser de f’c = 200

kg/cm2.

Pruebas del Concreto en Estado Fresco

Pruebas del Concreto en Estado Fresco

▪ Revenimiento

• La temperatura del concreto no debe exceder 38°C

▪ Temperatura

• La velocidad de mezclado en los camiones revolvedores oscila entre 10 – 12 rpm, durante su transporte y entre 2 – 4 durante el tiempo de espera.

▪Velocidad de Agitación o Mezclado

Pruebas del Concreto en Estado Fresco

CARACTERÍSTICAS A CUMPLIR DEL CONCRETO FRESCO, VERIFICADAS

EN PLANTA Y LABORATORIO.

Pruebas del Concreto en Estado Endurecido

NMX-C 083 NMX-C 191 NMX-C 128 NMX-C 162

Compresión Flexión Elasticidad Peso UnitarioPruebas Convencionales

Nota

• Las resistencias obtenidas en núcleos, seconsideran satisfactorias si el promedio de todoslos núcleos alcanza al menos el 85% de f´c yningún núcleo individual presenta una resistenciamenor al 75% de f´c

Reparación de Estructuras de Concreto

Manifestaciones patológicas en elementos de concreto

Patología y Diagnóstico

La Patología puede ser definida como la parte de la ingeniería que estudia

los síntomas, mecanismos, causas y origen de los defectos en obras civiles,

para obtener un diagnóstico del problema.

Procesos de Degradación del Concreto

CARBONATACIÓN

• Pueden acelerar o retardar el tiempo de fraguado de diferentes cementos.

• En grandes concentraciones pueden reducir la resistencia del concreto.

La corrosión de la armadura (refuerzo) es la principal reacciónde preocupación para la preparación del concreto.

PRESENCIA DE CLORUROS

• Los sulfatos en el agua para la preparación del concreto,causan reacciones expansivas en el concreto.

PRESENCIA DE SULFATOS

• Afectan la resistencia del concreto.

CALCIO, MAGNESIO Y ACEITES

Procesos de Degradación del Concreto

IMPUREZAS ORGÁNICAS

Afectan el tiempo de fraguado del cemento portland y la resistencia,produciendo:

- Eflorescencias

- Manchado

- Reducción de la durabilidad

- Inestabilidad del volumen

Materiales para Reparación, Refuerzo y Protección

▪ Concreto

▪ Morteros Poliméricos

▪ Lechada de Cemento

▪ Morteros y Lechadas con Resinas Orgánicas

▪ Morteros Epóxicos, con 3 elementos: resina epóxica, endurecedor (poliamidas) y

agregados

▪ Morteros cementicios, a base de: sílice, humo de sílice, ceniza volante y microsílice