TRABAJO DE DISEÑO DE MEZCLA PDF

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“AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA”FACULTAD DE INGENIERÍAENTREGABLE 2 – DISEÑO DE MEZCLA Y SOLUCIÓN DELCASO PLANTEADOPROGRAMA ACADÉMICO INGENIERÍA CIVILGRUPO 3INTEGRANTESCarrillo Ramírez, Yilda Pamela Cervantes Fernández, Henry Junior Palacios Villaseca, Jeshuá David Vigil Far...

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“AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA”

FACULTAD DE INGENIERÍA

ENTREGABLE 2 – DISEÑO DE MEZCLA Y SOLUCIÓN DEL CASO PLANTEADO PROGRAMA ACADÉMICO INGENIERÍA CIVIL

GRUPO 3 INTEGRANTES Carrillo Ramírez, Yilda Pamela Cervantes Fernández, Henry Junior Palacios Villaseca, Jeshuá David Vigil Farfán, Jean Pierre Arturo (Coordinador) DOCENTE: Canova Valladolid, Diego Ángel Mario Varhen García, Christian Mario CURSO: Tecnología Del Concreto FECHA DE ENTREGA: 18 de octubre del 2021 – Piura

1

I. -

Objetivos (entregable 1): Objetivo general:

El objetivo general de este primer entregable es determinar las características y parámetros físicos útiles de los agregados (fino y grueso), cemento y agua para utilizarlos en el posterior diseño de mezcla de concreto. - Objetivos específicos: ✓ Analizar el caso planteado e identificar oportunamente las condiciones de exposición del concreto, resistencia mecánica requerida y la condición de trabajabilidad. ✓ Señalar los requerimientos o requisitos con los que debe cumplir cada uno de los materiales que serán utilizados para diseñar el concreto que dé solución al caso: Agua, cemento y agregados. Sobre este objetivo, se distinguen tanto “requisitos medibles” que son aquellos que pueden ser evaluados en este trabajo y los “requisitos no medibles” que son aquellos imposibles de medir en estas circunstancias. ✓ Discutir sobre el cemento a utilizar para este concreto, proponer una alternativa y obtener sus principales especificaciones. ✓ Caracterizar cada uno de los agregados a utilizar, obteniendo su granulometría y sus principales características físicas tales como: peso unitario, humedad total, capacidad de absorción, gravedad específica, módulo de fineza y tamaño máximo nominal (agregado grueso). ✓ Elaborar indicaciones y recomendaciones en base a los requisitos presentados y los resultados obtenidos para cada uno de los agregados a utilizar. II. -

Objetivos (entregable 2): Objetivo general:

Determinar, mediante la aplicación del método del ACI 211.1, la dosificación en condición Stock de los componentes del concreto solución del caso realizando, asimismo, la corrección por slump de este. ✓ ✓ ✓

III.

Objetivos específicos: Obtener la primera dosificación en condición Stock de los componentes del concreto. Realizar la corrección por slump y obtener una segunda dosificación en condición Stock. Elaborar condiciones y recomendaciones tanto para la producción del concreto como para la empresa encargada de ello en base a la información presentada del caso y los resultados obtenidos. Enunciado del problema:

Para la construcción de un pavimento de concreto, que se expondrá a condiciones severas de congelamiento y descongelamiento, se necesita que el material alcance una resistencia a la compresión de 255 kg/cm2 a los 28 días de edad. El slump requerido debe estar entre 3” y 4”. La empresa quien llevará a cabo la construcción del pavimento manifiesta que llevará un control permanente en obra, pero no cuenta con información previa de producción de concreto con las especificaciones requeridas por el diseño.

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IV.

Desarrollo:

1. Resumen de las condiciones del problema: Se nos pide diseñar un concreto para la construcción de un pavimento. En este sentido, se nos brinda la siguiente información requerida para efectuar el diseño de mezcla: - Resistencia mecánica requerida: Debe poseer una resistencia a la compresión de 255 kg/cm2 a los 28 días. - Condiciones de exposición del concreto en su tiempo de uso: Estará sometido a ciclos severos de congelamiento y descongelamiento, es decir, que el agua que entre por los poros del concreto puede llegar a congelarse y generar esfuerzos de tracción dentro de la losa. No se contempla la presencia de sulfatos en la zona. También estará expuesto a abrasión permanente debido a la rodadura de los vehículos circulantes. Por otro lado, se podrían llegar a desarrollar tensiones en el concreto por efecto del gradiente de temperatura que lleguen a superar la resistencia a tracción de este y por lo tanto, se generarían fisuras, grietas. Esto último no tiene que ver en demasía con el diseño de mezcla, pero sí con el diseño de la propia losa de concreto y la inclusión de juntas de dilatación oportunas. - Condición de trabajabilidad: Debe tener un slump de entre 3” y 4”. - Tipo y dimensiones de los miembros estructurales: En vista de que no se brinda información sobre el espesor de la losa de concreto, se tomará como referencia un valor razonable promedio: 15 cm (esto resulta importante para la determinación del valor límite tamaño máximo nominal que debería tener nuestro agregado grueso). 2. Requisitos y especificaciones de los materiales: 2.1. Cemento: 2.1.1. Requisitos: La existencia de ciclos de congelamiento y descongelamiento severos se traduce en que se va a fabricar y colocar el concreto en un clima frío, por lo tanto se debería usar un cemento tipo III que presenta alto calor de hidratación y además incluirle al concreto “aire” para disipar los esfuerzos producidos por el congelamiento (y por ende, expansión) del agua al ingresar dentro de los poros. Sin embargo, este tipo de cemento no es comercial en nuestro país. En este sentido, se podría usar un cemento HE Industrial Yura que además de proporcionarnos una alta resistencia inicial (por altas velocidades de hidratación que contrarrestan el retardo en la adquisición de resistencia producido por los climas fríos), aumenta la impermeabilidad del concreto por su elevada superficie específica. 2.1.2. Especificaciones: En el Anexo 1 se coloca la ficha técnica de este cemento. A continuación, se presenta una tabla con la información más relevante para el diseño de mezcla: Tabla 1 Especificaciones del cemento

Propiedad Gravedad específica (adimensional) Resistencia a la compresión a 28 días (Kg/cm2)

Cemento HE industrial Yura 2.9 - 3 410 - 440

Fuente: Elaboración propia

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2.2. Agua: 2.2.1. Requisitos: Lo ideal para elaborar concreto es usar agua potable porque esta ha sido sometida a un tratamiento que ha eliminado el contenido de sales, grasas, ácidos, materia orgánica y cualquier otra sustancia que podría afectar las reacciones de hidratación, la adquisición de resistencia y la durabilidad del concreto. No debería usarse agua de mar para preparar concreto. 2.3. Agregado Fino: 2.3.1. Requisitos: 2.3.1.1.Requisitos medibles para este trabajo: - Granulometría: El agregado fino deberá cumplir con la especificación de granulometría brindada en la NTP 400.037. El fallar en 50 y 100 podría generar problemas de trabajabilidad, bombeo o excesiva exudación. Tabla 2 Granulometría del agregado fino – husos granulométricos

Fuente: NTP 400.037

Por otro lado, su módulo de fineza deberá estar entre 2.3 y 3.1. 2.3.1.2.Requisitos no medibles para este trabajo: - Presencia de sustancias deletéreas: La misma norma establece un límite para la cantidad de sustancias deletéreas que debería presentar un agregado, tales como: impurezas orgánicas, terrones de arcilla y partículas friables (máximo 3%), material más fino que el tamiz 200 (3% sería el límite en nuestro caso, ya que el concreto estará sometido a permanente abrasión de los vehículos), carbón y lignito (1%). Además, el agregado no deberá tener gran cantidad de sílice reactiva puesto que el concreto se encontrará expuesto a la humedad. Una cantidad considerable de sílice reactiva, en presencia de agua, reaccionaría con los álcalis del cemento y generarían un gel expansivo que produciría grietas. De esta forma, se reduciría la resistencia mecánica de nuestro concreto y se volvería más permeable. - Inalterabilidad: Considerando que nuestro concreto estará expuesto a severos ciclos de congelamiento y descongelamiento, el agregado deberá cumplir con el requisito de resistencia a desintegración por medio de ataques de soluciones saturadas de sulfato de sodio o de magnesio. Las pérdidas promedio de masa después de 5 ciclos deberán ser menores a 10% y 15%, respectivamente. 2.3.2. Especificaciones: A continuación, se presenta el análisis granulométrico del agregado fino (arena 5) en el que también se ha colocado los husos granulométricos o intervalos en los que debe estar el porcentaje que pasa cada tamiz. 4

Tabla 3 Análisis granulométrico del agregado fino - Arena 5

ARENA 5 Tamiz ASTM

Abertura (mm)

Contenido (g)

2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4 8 16 30 50 100 200

63.50 50.80 38.10 25.40 19.10 12.70 9.53 4.76 2.38 1.19 0.59 0.297 0.149 0.074

0 0 0 0 0 0 0 30.5 151.4 178.5 134.8 99.1 60.2 24.4 16.7 695.6 696 0.4

Fondo Total Peso inicial Pérdida

Retenido Retenido acumulado parcial (%) (%) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.38 4.38 21.77 26.15 25.66 51.81 19.38 71.19 14.25 85.44 8.65 94.09 3.51 97.60 2.40 Módulo de 3.33 fineza

Pasa (%)

Límites (%)

100 100 100 100 100 100 100 96 74 48 29 15 6 2

No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica No aplica 100 95 a 100 80 a 100 50 a 85 25 a 60 5 a 30 0 a 10 No aplica

Fuente: Elaboración propia

Con este análisis, se grafica la curva granulométrica del agregado fino:

Curva Granulométrica Agregado Fino 100 90 80

60 50 40

Porcentaje que pasa

70

30 20 10 0 1000

100

10

1

0.1

0.01

Mallas y Tamices A.S.T.M. (Abertura en mm) Figura 1 Curva granulométrica del agregado fino - Arena 5 Fuente: Elaboración propia

5

En segundo lugar, se colocan los cálculos necesarios para obtener las propiedades del agregado fino1: - Humedad total: Fue calculada a partir de los datos obtenidos en el laboratorio mediante la siguiente fórmula que es equivalente a la fórmula presente en la norma NTP 339.185. 𝐻𝑇 =

𝑀1 − 𝑀2 ∗ 100% 𝑀2 − 𝑀3

M1= masa de la muestra en estado stock más el recipiente. M2= masa de la muestra seca más el recipiente M3= masa del recipiente vacío. El enlace del video correspondiente a este ensayo es el siguiente: https://youtu.be/VnU0MO_RdPQ Se realizaron 2 mediciones como especifica la norma y se promediaron los resultados ya que no sobrepasaban el límite de discrepancia de 0.79%. Tabla 4 Cálculo de la humedad total del agregado fino

M3 (g) M1 (g) M2 (g) Humedad total (%) Promedio (%) Diferencia (%)

INTENTO 1 85.8 583.9 551.3 7.00

INTENTO 2 85.8 582.7 553.2 6.31 6.66 0.69

Fuente: Elaboración propia

- Peso unitario: La norma de ensayo que permite encontrar este valor es: NTP 400.017. Se tiene el dato del peso unitario suelto stock, partiendo de este se calculan el varillado stock y el varillado seco. 𝑃. 𝑈𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 = 1521 𝑘𝑔/𝑚3 𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 = 1.08 ∗ 𝑃. 𝑈𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 = 1643 𝑘𝑔/𝑚3 𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 =

𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 𝐻𝑇 1+ 100

=

1642.68 3 6.66 = 1540 𝑘𝑔/𝑚 1+ 100

- Capacidad de absorción: La norma que permite calcular este parámetro es la NTP 400.022. Para este agregado, el valor de capacidad de absorción es: 1.5%.

1

Algunas propiedades son “datos” que han sido entregados en la guía del trabajo. Sobre estos, solamente se especifica la norma de ensayo correspondiente y el valor obtenido.

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Gravedad específica (SSS): Se calcula con los datos entregados en la guía del trabajo y la fórmula especificada en la norma NTP 400.022 : “Una muestra de 500 g de este agregado en condición SSS, es colocado en un recipiente que luego es llenado completamente con agua. El peso combinado fue de 1697g. El peso del recipiente lleno solo con agua es de 1390 g”. 500 𝐺. 𝐸 = 𝑉 − 𝑉𝑎 V: Volumen del recipiente de ensayo en cm3. Va= Volumen de agua añadida en cm3 o masa en gramos A partir de los datos brindados, se establecen las siguientes ecuaciones: 1390𝑔 = 𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑔) + 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑔) 1697𝑔 = 𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑔) + 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎𝑟 (𝑔) + 𝑊𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 (𝑔) El peso de agua total correspondiente a todo el volumen del recipiente en gramos es numéricamente igual al volumen del recipiente (V) en ml puesto que la densidad del agua es 1g/ml, lo mismo sucede con el peso de agua utilizado para completar el recipiente cuando ya contiene al agregado. Luego, las ecuaciones quedarían de la siguiente forma: 1390 = 𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑉 1697 = 𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑉𝑎 + 500 Restando ambas ecuaciones, se tiene: 1390 − 1697 = 𝑉 − 𝑉𝑎 − 500 193 = 𝑉 − 𝑉𝑎 Entonces, ya se puede encontrar el valor de la gravedad específica de este agregado: 500 = 2.59 𝐺. 𝐸 = 193 Con estos resultados, se completa la tabla 5: Tabla 5 Caracterización del agregado fino

Propiedades Módulo de fineza Peso unitario suelto stock (kg/m3) Peso unitario varillado stock (kg/m3) Peso unitario varillado seco (kg/m3) Humedad total (%) Capacidad de absorción (%) Gravedad específica SSS (adimensional)

Agregado Fino 3.33 1521 1643 1540 6.66 1.50 2.59

Fuente: Elaboración propia

2.4.Agregado grueso: 2.4.1. Requisitos: 2.4.1.1.Requisitos medibles para este trabajo: - Granulometría: Los husos granulométricos especificados para el agregado grueso se presentan en la norma NTP 400.037 en función del tamaño máximo nominal de este. Se recurrirá a la misma cuando se haya obtenido este valor. 7

No se especifican límites para el módulo de fineza. 2.4.1.2.Requisitos no medibles para este trabajo: - Presencia de sustancias deletéreas: Nuevamente, se limita la sílice reactiva puesto que el concreto estará expuesto a la humedad. También se limita: Terrones de arcilla y partículas friables (máximo 5%), material fino que pase el tamiz 200 (1%), horsteno (5%), carbón y lignito (1%). - Inalterabilidad: Ya que el concreto estará sometido a ciclos de congelamiento – descongelamiento, el agregado grueso deberá cumplir con el requisito previamente explicado para el agregado fino. En este caso, la pérdida promedio de masa después de 5 ciclos no deberá ser mayor a 12% cuando se usa la solución de sulfato de sodio y 18% cuando se usa la solución de sulfato de magnesio. - Resistencia mecánica: La norma NTP 400.037 expresa que si el agregado grueso formará parte de un concreto de pavimentos también deberá cumplir ciertos requisitos en relación con su resistencia mecánica al desgaste. - Índice de espesor: Para un concreto de pavimentos, este valor no deberá ser mayor a 50 si se trata de agregado natural o 35 para grava triturada. 2.4.2. Especificaciones: Ya que nuestro agregado grueso será la combinación de 2 diferentes tipos de piedra, en primer lugar se realizará el análisis granulométrico de cada uno para luego combinarlos. Tabla 6 Análisis granulométrico del agregado grueso - Piedra 1

Tamiz ASTM 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4 8 16 30 50 100 200 Fondo Total Peso inicial Pérdida

PIEDRA 1 Retenido Contenido parcial (g) (%) 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 6324 61.04 2737 26.42 1253 12.09 28 0.27 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 19 0.18 10361 10363 2

Retenido acumulado (%) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 61.04 87.45 99.55 99.82 99.82 99.82 99.82 99.82 99.82

Pasa (%) 100 100 100 100 100 39 13 0 0 0 0 0 0 0

Fuente: Elaboración propia

8

Tabla 7 Análisis granulométrico del agregado grueso - Piedra 3

PIEDRA 3 Tamiz ASTM 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4 8 16 30 50 100 200 Fondo Total Peso inicial Pérdida

Retenido Contenido Retenido acumulado (g) parcial (%) (%) 0 0.00 0.00 0 0.00 0.00 0 0.00 0.00 0 0.00 0.00 576 8.95 8.95 4078 63.35 72.30 1048 16.28 88.58 697 10.83 99.41 34 0.53 99.94 0 0.00 99.94 0 0.00 99.94 0 0.00 99.94 0 0.00 99.94 0 0.00 99.94 4 0.06 6437 6442 5

Pasa (%) 100 100 100 100 91 28 11 1 0 0 0 0 0 0

Fuente: Elaboración propia

Tal y cual se explicó en clase, se realizará la combinación de agregados utilizando el porcentaje que pasa de ambos. Por otro lado, también se especifican los límites o husos granulométricos correspondientes a nuestro agregado (de tamaño máximo nominal =3/4” y huso granulométrico 6). Tabla 8 Análisis granulométrico del agregado grueso a utilizar

AGREGADO A UTILIZAR 40% PIEDRA 3 + 60% PIEDRA 1 Tamiz ASTM 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4 8 16 30 50 100 200

Abertura (mm)

Pasa (%)

63.50 100 50.80 100 38.10 100 25.40 100 19.10 96 12.70 34 9.53 12 4.76 1 2.38 0 1.19 0 0.59 0 0.297 0 0.149 0 0.074 0 Módulo de fineza

Límites (%) no aplica no aplica no aplica 100 90 a 100 20 a 55 0 a 15 0a5 no aplica no aplica no aplica no aplica no aplica no aplica

Retenido acumulado (%) 0.00 0.00 0.00 0.00 3.58 65.54 87.90 99.49 99.87 99.87 99.87 99.87 99.87 99.87 6.90

Fuente: Elaboración propia

9

A partir del análisis anterior se grafica la curva granulométrica del agregado grueso:

Curva Granulométrica Agregado Grueso 100

90

70 60 50 40 30

Porcentaje que pasa

80

20 10 1000

100

10

1

0.1

0 0.01

Mallas y Tamices A.S.T.M. (Abertura en mm) Figura 2 Curva granulométrica del agregado grueso – Combinación Fuente: Elaboración propia

Luego, se colocan los cálculos necesarios para obtener los datos empleados en la caracterización del agregado grueso: - Peso unitario: El peso unitario varillado stock del agregado grueso fue obtenido en el laboratorio virtual, para lo cual se empleó la norma: NTP 400.017. La fórmula empleada es la siguiente: 𝑀=

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 El volumen del recipiente era dato: 𝑉𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ = 𝜋 ∗ 0.112 ∗ 0.268 𝑚3 = 0.01018756 𝑚3 En la siguiente tabla se presentan los datos correspondientes. Se señala que se promedió el resultado de 2 ensayos consecutivos que no difirieron en más de 40 kg/m3 (como dice la norma). El resultado se aproximó a 10 kg/m3. Tabla 9 Cálculo del peso unitario varillado en condición stock del agregado grueso

MASA UNITARIA

INTENTO 1

INTENTO 2

Masa de agregado (Kg)

16.845

16.737

Volumen matraz (m3) Masa unitaria (kg/m3) Promedio (kg/m3) Diferencia (kg/m3) Reportado (kg/m3)

0.01018756 0.01018756 1653.49 1642.89 1648.19 10.60 1650

Fuente: Elaboración propia

10

El enlace del video correspondiente https://www.youtube.com/watch?v=FjmIWM2s3BY

a

este

ensayo

es

el

siguiente:

Luego, se necesita calcular el peso unitario varillado seco y el peso unitario suelto stock. Estos se obtienen de la siguiente forma: 𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 =

𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 𝐻𝑇 1+ 100

=

1650 = 1642 𝑘𝑔/𝑚3 0.5 1 + 100

𝑃. 𝑈𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 = 0.9 ∗ 𝑃. 𝑈𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 = 1485 𝑘𝑔/𝑚3

- Humedad total: La norma que permite calcular este parámetro es la NTP 339.185. El dato otorgado en la guía es: 0.5%. - Capacidad de absorción: La norma que permite calcular este parámetro es la NTP 400.021. El dato otorgado en la guía para este parámetro es: 1.2% - Gravedad específica (SSS): Se calcula con los datos entregados2 en la guía de trabajo y la norma NTP 400.021: “En laboratorio, una muestra de este agregado seco al horno pesa 3128.0 g. Esta muestra, en estado SSS se sumerge al agua pesando 1980.0 g”. La fórmula especificada en la norma para calcular este parámetro es: 𝑊𝑆𝑆𝑆 𝑊𝑆𝑆𝑆 − 𝑊𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜 Para calcular el peso en saturado superficie seca, utilizamos relación entre ese peso y el peso seco al horno: 𝐶𝐴 1.2 𝑊𝑆𝑆𝑆 = 𝑊𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗ (1 + ) = 3128 ∗ (1 + ) = 3165.536 𝑔 100 100 Reemplazando en la fórmula, se tiene: 3165.536 = 2.67 3165.536 − 1980.0 - Contenido de vacíos : La norma que permite determinar el contenido...