El diseño de concreto con poliestireno busca obtener una mezcla de menor peso volumétrico sin dejar de cumplir la resistencia requerida por la NTP y el RNE. Esta alternativa resulta especialmente importante para la fabricación de bloques de concreto ligero y para el desarrollo de concretos con propiedades modificadas mediante la incorporación de poliestireno expandido.
La selección de la proporción adecuada de materiales debe realizarse mediante un procedimiento experimental controlado, considerando el comportamiento de los materiales, sus características y las proporciones empleadas en la mezcla. Para ello pueden aplicarse las teorías, los métodos y los procesos estipulados en la ASTM, el RNE, la NTP y la Guía del ACI.
Objetivo del diseño de concreto con poliestireno
El diseño de bloques de concreto ligero con la aplicación de perlas de poliestireno está orientado a encontrar la proporción adecuada de materiales para elaborar una mezcla de concreto ligero con bajo peso volumétrico.
El concreto diseñado puede emplearse en la fabricación de bloques de 90x190x390mm. No obstante, el bloque de concreto ligero debe mínimamente cumplir con la resistencia requerida por la NTP y el RNE.
La reducción del peso volumétrico constituye uno de los principales objetivos del empleo del poliestireno en la mezcla. Sin embargo, la disminución de la densidad debe evaluarse conjuntamente con la resistencia mecánica, la trabajabilidad y la posibilidad de fabricar elementos que cumplan las condiciones técnicas requeridas.
Base experimental para el diseño
El proceso de investigación se inició en la Universidad César Vallejo, en los ambientes del Laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos, durante el periodo 2017 - 2018.
El trabajo correspondió a una investigación Aplicada con un diseño Experimental, por lo que existía la necesidad de manipular de manera controlada el comportamiento de los materiales, sus características y proporciones para ser aplicadas según las teorías, los métodos y procesos estipulados en la ASTM, el RNE, la NTP y la Guía del ACI.
La metodología experimental permite comparar diferentes densidades y porcentajes de incorporación, identificar las variaciones en las propiedades del concreto y seleccionar la mezcla que ofrezca el balance más adecuado entre peso y resistencia.
Densidades evaluadas en el concreto ligero
La población de estudio estuvo conformada por los especímenes de prueba con densidades 1200 kg m3/, 1400 kg m3/ y 1600 kg m3/, que sirvieron para identificar el diseño óptimo de las proporciones de materiales.
| Densidad evaluada | Finalidad |
|---|---|
| 1200 kg m3/ | Evaluar una alternativa de concreto ligero con menor peso volumétrico. |
| 1400 kg m3/ | Comparar el comportamiento de una densidad intermedia. |
| 1600 kg m3/ | Identificar el diseño con el equilibrio más adecuado entre densidad y resistencia. |
El diseño cuya densidad es de 1600 kg m3/ fue establecido como el diseño óptimo. Esta selección permitió distinguir la muestra, cuyo grupo está formado por los especímenes de prueba cuya proporción fue la óptima y los bloques de concreto ligero elaboradas a partir de dicho diseño.
Uso de perlas de poliestireno en bloques de concreto
Las perlas de poliestireno se incorporan a la mezcla con el propósito de obtener un concreto ligero. La presencia de este material modifica la densidad del concreto y puede alterar sus propiedades en estado fresco y endurecido.
El diseño debe controlar cuidadosamente la cantidad de poliestireno utilizada, porque una proporción mayor no necesariamente produce un mejor comportamiento estructural. La selección de la mezcla debe realizarse considerando simultáneamente el peso volumétrico, la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión y la trabajabilidad.
En la investigación sobre bloques de concreto ligero, la densidad de 1600 kg m3/ permitió identificar el diseño óptimo de las proporciones de materiales. En la investigación sobre concreto de alta resistencia, el poliestireno expandido fue incorporado en porcentajes de 2.5%, 5% y 7.5%.
Incorporación de poliestireno expandido y fibra sintética
La investigación denominada Efecto del poliestireno expandido y fibra sintética sobre las propiedades de un concreto de alta resistencia en el distrito de Lampa tuvo como objetivo analizar el efecto del poliestireno expandido y la fibra sintética sobre las propiedades de un concreto de alta resistencia.
La metodología estuvo dada por un tipo aplicado, nivel cuantitativo, método científico y diseño experimental. La muestra se conformó por 105 muestras en estado fresco y briquetas en estado endurecido.
Se incorporaron poliestireno expandido y fibra sintética en porcentajes de 2.5%, 5% y 7.5%. La comparación con la muestra patrón permitió determinar cómo variaban la trabajabilidad, la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión con cada porcentaje de adición.
| Material incorporado | Porcentajes evaluados |
|---|---|
| Poliestireno expandido | 2.5%, 5% y 7.5% |
| Fibra sintética | 2.5%, 5% y 7.5% |
Efecto sobre la trabajabilidad
Para la determinación de la influencia del poliestireno expandido y fibra sintética sobre la trabajabilidad se desarrolló el ensayo de asentamiento.
Los resultados mostraron que el asentamiento incrementa gradualmente en relación al porcentaje que se le incrementa. Para la mezcla patrón se obtuvo un asentamiento de 3.82, mientras que con la incorporación de poliestireno expandido se obtuvieron valores de 4.02 con 2.5%, 4.19 con 5% y 4.32 con 7.5%.
En el caso de la fibra sintética, la mezcla patrón presentó un asentamiento de 3.82, mientras que la incorporación de 2.5% produjo un valor de 3.92, la de 5% produjo 4.15 y la de 7.5% produjo 4.31.
| Mezcla | Asentamiento |
|---|---|
| MP | 3.82 |
| MP + 2.5% PE | 4.02 |
| MP + 5% PE | 4.19 |
| MP + 7.5% PE | 4.32 |
| MP + 2.5% FS | 3.92 |
| MP + 5% FS | 4.15 |
| MP + 7.5% FS | 4.31 |
Los datos muestran un incremento gradual del asentamiento conforme aumenta el porcentaje incorporado, tanto para el poliestireno expandido como para la fibra sintética.
Efecto sobre la resistencia a la compresión
Para determinar la influencia de la incorporación del poliestireno expandido y fibra sintética sobre la resistencia a la compresión del concreto se evaluaron briquetas en estado endurecido a diferentes edades.
El poliestireno expandido y la fibra sintética influyen relativamente en las propiedades del concreto, y la resistencia a la compresión disminuye con las incorporaciones de PE y FS.
En el caso del poliestireno expandido, la incorporación que más se acerca a la muestra patrón es la de 2.5%, con resultados de 260.33 kg/cm2 en 7 días, 326.69 en 14 días y 380.25 en 28 días.
Para las fibras sintéticas se obtuvieron 351.86 kg/cm2 en 7 días, 380.34 kg/cm2 en 14 días y 413.71 kg/cm2 en 28 días.
| Incorporación | 7 días | 14 días | 28 días |
|---|---|---|---|
| 2.5% de poliestireno expandido | 260.33 kg/cm2 | 326.69 | 380.25 |
| Fibra sintética | 351.86 kg/cm2 | 380.34 kg/cm2 | 413.71 kg/cm2 |
La incorporación del 2.5% de poliestireno expandido presentó el comportamiento más cercano a la muestra patrón dentro de las proporciones de poliestireno evaluadas.
En términos de diseño, estos resultados indican que el aumento del porcentaje de poliestireno expandido debe controlarse para evitar una disminución excesiva de la resistencia a la compresión. La proporción óptima dependerá del equilibrio requerido entre la reducción del peso volumétrico y el cumplimiento de la resistencia mínima establecida por la NTP y el RNE.
Efecto sobre la resistencia a la flexión
La adición de poliestireno expandido y fibra sintética también fue evaluada mediante la resistencia a la flexión del concreto.
Se pudo comprobar que la resistencia a la flexión aumenta con la incorporación de 2.5% de poliestireno expandido y fibra sintética.
En cambio, la incorporación de 5% y 7.5% de poliestireno expandido y fibra sintética disminuye la resistencia a la flexión del concreto.
| Porcentaje de incorporación | Comportamiento de la resistencia a la flexión |
|---|---|
| 2.5% | Aumenta con poliestireno expandido y fibra sintética. |
| 5% | Disminuye con poliestireno expandido y fibra sintética. |
| 7.5% | Disminuye con poliestireno expandido y fibra sintética. |
Selección de la proporción de diseño
La proporción de diseño no debe seleccionarse únicamente por la menor densidad. El concreto ligero debe mantener una resistencia compatible con el uso previsto y cumplir mínimamente con la resistencia requerida por la NTP y el RNE.
En los especímenes de prueba destinados a bloques de concreto ligero, la densidad de 1600 kg m3/ fue establecida como el diseño óptimo de las proporciones de materiales.
En las mezclas con poliestireno expandido y fibra sintética, la proporción de 2.5% presentó el comportamiento más favorable frente a las proporciones de 5% y 7.5% cuando se consideraron la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión.
La incorporación del 2.5% de poliestireno expandido fue la que más se acercó a la muestra patrón en resistencia a la compresión. Además, la resistencia a la flexión aumentó con la incorporación de 2.5% de poliestireno expandido y fibra sintética.
Procedimiento general de evaluación
- Definir el tipo de concreto que se desea obtener y el uso previsto del elemento.
- Establecer el rango de densidades que será evaluado.
- Seleccionar las proporciones de materiales de acuerdo con las teorías, los métodos y procesos estipulados en la ASTM, el RNE, la NTP y la Guía del ACI.
- Incorporar el poliestireno expandido en los porcentajes establecidos para la comparación experimental.
- Elaborar muestras en estado fresco y briquetas en estado endurecido.
- Realizar el ensayo de asentamiento para determinar la trabajabilidad.
- Evaluar la resistencia a la compresión a diferentes edades.
- Evaluar la resistencia a la flexión del concreto.
- Comparar cada mezcla con la muestra patrón.
- Seleccionar el diseño que ofrezca el equilibrio más adecuado entre densidad, trabajabilidad y resistencia.
Aplicación en bloques de concreto ligero
El diseño optimizado puede emplearse en la fabricación de bloques de 90x190x390mm, siempre que el producto final cumpla con las exigencias técnicas correspondientes.
La muestra seleccionada está formada por los especímenes de prueba cuya proporción fue la óptima y los bloques de concreto ligero elaboradas a partir de dicho diseño.
La fabricación de bloques con poliestireno requiere mantener constante la proporción de materiales y controlar las condiciones de elaboración de los especímenes. Las variaciones en la cantidad de poliestireno pueden modificar la densidad, el asentamiento y la resistencia del concreto.
Paneles modulares en concreto celular, Microcell
Consideraciones técnicas para el control de la mezcla
El control experimental debe incluir el registro de la densidad, el asentamiento, la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión.
La comparación de las densidades 1200 kg m3/, 1400 kg m3/ y 1600 kg m3/ permite observar el comportamiento de mezclas con diferentes niveles de ligereza.
El aumento del porcentaje de poliestireno expandido incrementa gradualmente el asentamiento, pero las incorporaciones de PE y FS disminuyen relativamente la resistencia a la compresión.
La incorporación de 2.5% constituye la alternativa que más se acerca a la muestra patrón en resistencia a la compresión y que produce un aumento de la resistencia a la flexión, mientras que las incorporaciones de 5% y 7.5% disminuyen la resistencia a la flexión.
Por tanto, el diseño de concreto con poliestireno debe considerar condiciones específicas de uso, densidad objetivo, porcentaje de incorporación y resistencia mínima requerida. La densidad de 1600 kg m3/ fue establecida como el diseño óptimo para los bloques evaluados, mientras que el 2.5% fue la incorporación más favorable dentro de las proporciones de poliestireno expandido y fibra sintética analizadas.
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