CONCRETO-CAP-I-II-III.ppt

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI FACULTAD DE INGENIERIA ING. CIVIL TECNOLOGIA DEL CONCRETO DOCENTE : ING. ANGEL APAZA DELGADO FEBRERO 2005

CAPITULO I : INTRODUCCION La Tecnología del Concreto en la vida profesional del Ing. Civil, es muy importante, la necesidad de realizar la construcción de obras de Edificaciones, Puentes, Pavimentos, Centrales Hidroeléctricas, Presas, etc., hace necesario que el Ing. Civil tenga conocimiento amplio del avance Tecnológico del Concreto, el cual no seda demasiada importancia en la formación del Ing. Civil, cuando la mayoría de las construcciones en el Perú son de concreto.

Es por eso la necesidad del conocimiento sobre la tecnología del concreto, teniendo en cuenta lo siguiente: Selección adecuada de los componentes del concreto para así lograr una mezcla adecuada que satisfaga las requerimientos del diseño estructural, de las obras civiles. Es también importante indicar que el clima, las condiciones ambientales el lugar, se deben tomar en cuenta en la elaboración de concretos durables y resistentes; la tendencia actual es realizar concretos durables con resistencias adecuadas.

El Ingeniero Civil debe estar familiarizado profundamente con la tecnología de su concreto, con el objetivo de que se sepa el comportamiento del concreto bajo las diferentes solicitaciones de carga, así como los cambios de temperatura y humedad. La finalidad de este curso es de dar conocimientos básicos sobre esta tecnología, pero dichos conocimientos de ninguna manera serán lo suficientes para satisfacer plenamente los conocimientos de la tecnología de concreto, por lo que se recomienda seguir profundizando o tomar cursos complementarios de esta materia.

Todo Ingeniero Civil que se dedique a la construcción de estructuras de concreto de cualquier índole tienen la obligación de diseñar o mejor todavía realizar su diseño de mezcla de concreto en un Laboratorio especializado y reconocido. Por ultimo es absolutamente necesario que todo Ingeniero Civil cualquiera que sea su especialidad de ninguna manera debe ignorar la Tecnología del Concreto.

CAPITULO II NATURALEZA DEL CONCRETO 1.- DEFINICION.En el estudio de la tecnología del concreto existen muchos criterios nacionales y mundiales sobre la definición de lo que es realmente el concreto, pero una de las definiciones mas sencillas que considero que refleja gran parte de estas definiciones es: El concreto es una mezcla heterogénea, conformada de un aglomerante compuesto por la pasta cementicia ( cemento y agua ) agregados fino y grueso, además espacios vacíos naturales o artificiales;

adicionalmente se le puede incorporar aditivos químicos o minerales; dichos componentes estarán dentro de la mezcla en cantidades apropiadas en base a un adecuado diseño de mezcla y también a todo un sistema correcto de mezclado, se obtenga como resultado una mezcla plástica trabajable en un estado inicial pero transcurrido un periodo pequeño de tiempo dicha mezcla se convierta en una mezcla sólida e indeformable.

2.- HISTORIA.El objetivo de este capítulo es el de presentar los hitos más importantes de la historia del Concreto en el Mundo y en el Perú. a) En las primeras referencias sobre mezclas similares al concreto, están dadas por Plinio, un autor romano, quien se refiere a las proporciones de un aglomerante que se utilizó para la construcción de las cisternas romanas, en el escrito consiguiente indica la siguiente mezcla “ cinco partes de arena de gravilla plana, dos partes de cal calcinada mas fuerte y fragmentos de sílica”

b) La cultura griega mediante documentación escrita encontrada, también en sus edificaciones utilizaron una mezcla aglomerante en la que empleaban como componentes, puzolana con cal, y obtuvieron así una mezcla entre mortero y concreto de tipo Hidráulico. En sus escritos se menciona a Vitruvius, un gran Arquitecto de la época, que refiriéndose a la puzolana decía “Hay una arena especial que posee cualidades extraordinarias, la cual si se mezcla con la cal y piedra, endurece bien y también bajo el agua”. Entre las edificaciones existentes destacable hechas con esta mezcla se tiene el Panteón de Adriano.

c) En el año de 1756 el Ingles John Seaton, para la construcción del faro del poblado de Eddystone en Inglaterra, realizó una investigación de morteros para trabajar bajo agua, llego a la siguiente proporción “Dos medidas de cal apagada, en forma de polvo seco, con una medida de tufo volcánico, debiendo ser ambas bien batidas en forma conjunta hasta lograr la consistencia de una pasta, usando tan poca agua como sea posible”.

d) En el año de 1824 dos ingenieros ingleses Joseph Asphin e I.C. Johnson, patentaron el “Cemento Portland” el cual debe ser fabricado combinando materiales calizos y arcillosos en proporciones determinadas, calentando el material en un horno, y pulverizando el producto hasta obtener un polvo muy fino. Este cemento que al hidratarse adquiría según él, la misma resistencia que la piedra de la isla de Pórtland cerca del puerto de Dorset. Es importante indicar que entre ese cemento y el actual normalizado existe una gran diferencia, pero fue el inicio y creación de este aglomerante extraordinario.

e) En 1840 se establece en Francia la primera fabrica de Cemento Pórtland del mundo, luego en Inglaterra en 1845, en Alemania en 1855, en E.E.U.U. en 1871 y a partir de ahí se difunde por todo el mundo. f) En 1892 el Francés Feret establece los primeros criterios sobre la proporción de los componentes en la obtención de morteros de cemento.

g) En el año de 1918, Duff Abrams, después de una investigación efectuada en la ciudad de Chicago, desarrollo las primeras teorías sobre las proporciones de los componentes del concreto para diferentes resistencias a la comprensión, este estudio dio origen a la “Ley de la relación aguacemento”. h) El estadounidense GilKey en 1923 planteo las primeras observaciones a la Ley de Abrams, indicando que el agregado no es un material inerte de relleno, sino que desempeña un papel importante en el comportamiento del concreto.

i) En 1926 el Norteamericano Bolomey propone una curva teórico modificada, a ser utilizada en granulometrías continuas. j) En 1938 estudios realizados por diversos laboratorios de los Estados Unidos, llegaron a la conclusión de que la incorporación de aire artificialmente a la mezcla, mejora significativamente, su durabilidad frente a los procesos de congelación y deshielo.

En los últimos cincuenta años k) En 1942 el científico García Balado propone un método práctico para el Diseño de mezclas. El Ruso Mironof propone diseños con agregado integral. Así mismo H. Kennedy y Kellerean proponen nuevos criterios en los diseños de mezcla. l) En 1944 el ACI aprueba y pública el libro sobre “Recomendaciones practicas del diseño de Concreto” 613-44 de los volúmenes absolutos. m) En el año 1952 se utilizan cenizas provenientes de la combustión del carbón, para reducir la velocidad de generación de calor en estructuras masivas.

n) En 1960 S. Walker presenta una aproximación, basado en experiencias para la determinación de la proporción de los componentes.

o) En 1963 el investigador Gilkey propone una versión ampliamente modificada de la de Abrams. p) Desde 1963 a la actualidad, tanto en Europa como en América se han seguido realizando investigaciones, que han permitido que a la fecha existan una serie de métodos para El Diseño de Mezclas y mejoramiento de las proporciones del concreto.

En el Perú se tiene lo siguiente: En la época Pre-inca e Inca, no existen obras que indiquen que se haya utilizado alguna mezcla cementicia. En el Tiempo de la Colonia existen edificaciones importantes, en donde se utilizó una mezcla de cal y arena, como el puente piedra en Lima y en la que se agregaron a la mezcla clara de huevos frescos en gran cantidad, como un aditivo para mejorar su comportamiento. En el tiempo del inicio de la República en 1850, se comenzó a utilizar el concreto en el Perú con cemento importado de Europa

Hasta el siglo XIX todas las edificaciones públicas, privadas, fueron realizadas con el concurso de concreto con cemento importado de Europa. En el siglo XX hasta la fecha se comenzó a construir con cemento propio, en 1916 las Universidades del País han comenzado a realizar investigaciones en el área de la tecnología del concreto, sobre todo a través de los Ingenieros Manuel González La Cotera y Enrique Rivva López.

3.- IMPORTANCIA DEL CONCRETO.Actualmente el concreto es el material de construcción de mayor uso en nuestro país. La calidad final del concreto depende en forma muy importante del conocimiento del material y de la calidad profesional del Ingeniero, el concreto es en general, desconocido en muchos de sus siete grandes aspectos: naturaleza, materiales, propiedades, selección de las proporciones, proceso de puesta en obra, control de calidad e inspección, y mantenimiento de los elementos estructurales.

4.- COMPONENTES DEL CONCRETO.Todos los científicos y especialistas en la tecnología del concreto mas o menos coinciden en la conformación de los componentes del concreto en la siguiente forma: a) Componentes Principales: Cemento, agua, agregado fino y agregado grueso. b) Componentes Secundarios: Aditivos químicos y minerales y espacios vacíos, que pueden ser naturales o artificiales.

Es importante indicar que en la preparación del concreto en los países desarrollados, el empleo de aditivos ha dejado de ser un componente secundario, ya que es usado en todos ellos. Según el Ing. Enrique Pasquel la proporción aproximada de sus componentes en volumen absoluto es de: - Cemento : 7 al 15% - Agua : 15 al 22 % - Agregados : 60 al 75 % - vacíos : 1 al 3 %

5.- LA PASTA.La pasta comprende cuatro elementos fundamentales: - El gel, nombre con el que se denomina al producto resultante de la reacción química e hidratación del cemento. - Los poros incluidos en ella. - El cemento no hidratado si lo hay. - Los cristales de hidróxido de calcio, o cal libre, que pueden haberse formado durante la hidratación del cemento.

a.) Funciones de la Pasta La pasta tiene cuatro funciones en el concreto: o Contribuir a dar las propiedades requeridas al producto endurecido. o Separar las partículas de agregado. o Llenar los vacíos entre las partículas de agregado y adherirse fuertemente a ellas. o Proporcionar lubricación a la masa cuando esta aún no ha endurecido.

a.) Propiedades de la Pasta Las propiedades de la pasta dependen de: - Las propiedades físicas y químicas del cemento. - Las proporciones relativas de cemento y agua en la mezcla. - El grado de hidratación del cemento, dado por la efectividad de la combinación química entre este y el agua.

6.- EL GEL.Se define como gel a la parte sólida de la pasta, la cual es el resultado de la reacción química del cemento con el agua durante el proceso de hidratación.

En 1882 el investigador francés Le Chatelier sostuvo que producto de la hidratación del cemento se formaban cristales elongados y entre lazados, los cuales poseían alta cohesividad y propiedades adhesivas.

En 1893 el investigador francés Michaelis enuncia la teoría coloidal, sosteniendo que el aluminato trícalcico, sulfoaluminato de calcio y el hidroxido de calcio dan la resistencia inicial de la pasta, y que a continuación el agua saturada de cal ataca a los silicatos formando silicato de calcio hidratado, el cual por ser casi insoluble, forma una masa gelatinosa. Debido a la pérdida gradual de agua de la mezcla, ya sea por secado o hidratación, esta masa endurece gradualmente obteniéndose cohesión. A partir de 1960 se acepta ambas teorías contiene algo de verdad y no son irreconciliables.

a.) Composición El gel es una aglomeración porosa de particulas solidamente entrelazadas, en su mayoría escamosas y fibrosas, el conjunto de las cuales forma una red eslabonada que contiene material mas o menos amorfo. En su composición el gel comprende: La masa cohesiva de cemento hidratado en su estado de pasta más densa. Hidróxido de calcio cristalino Poros gel.

b.) Comportamiento El gel desempeña el papel más importante en el comportamiento del concreto, especialmente en su resistencia y comportamiento elástico. Las razones de su resistencia a un no han sido claramente comprendidas, pero se acepta que intervienen dos clases de adherencias cohesivas: atracción física y adherencia química.

7.- HIDRATACION Y CURADO DEL CONCRETO.Se define como hidratación al proceso de reacción química del cemento en presencia del agua. La hidratación requiere de presencia de humedad, condiciones de curado favorables, y tiempo. El tiempo de curado es el periodo durante el cual el concreto es mantenido en condiciones de humedad y temperatura tales como para lograr la hidratación del cemento en la magnitud que se desee alcanzar la resistencia seleccionada.

8.- POROSIDAD EN EL CONCRETO.a.-) Definición: Son diversas porosidades que existen en el concreto, los cuales son de diferentes características, tamaños y pueden ser de origen natural o artificial. Algunos de ellos podrían estar parcial o totalmente llenos de agua

b.-) Clasificación:

- Vacíos Naturales: - Aire atrapado (Pasta) - Poros capilares (Pasta) - Poros gel (Pasta) - Poros en el agregado - Vacíos Artificiales: - Aire incorporado por medio de aditivos químicos (Pasta)

c.-) Espacios debidos al aire atrapado.-

Son porosidades relativamente grande, que pueden observarse a simple vista, y que se presenta en la masa del concreto y generalmente se presentan por una inadecuada compactación. Tienen diferentes tamaños y pueden llegar a un máximo del 1 %.

d.-) Aire incorporado artificialmente: Son vacíos que se introducen en el concreto bajo determinados requisitos, por medio de aditivos químicos y con el objeto de mejorar sus propiedades en cuanto a durabilidad y protección al congelamiento.

Son de perfil esférico y tienen un diámetro promedio de 0.08 a 0.10 mm, con un valor máximo del 5% del volumen total.

e.-) Poros Capilares:

Son porosidades constituidos por los residuos de los espacios ocupados por el agua en el concreto fresco y que al evaporarse dicha agua libre quedan estos vacíos, que son de un tamaño submicroscopico. Cuando las temperaturas son menores a 0 °C pueden causar deterioros en el concreto por congelación del agua.

f.-) Poros Gel.Estos espacios se presentan en el gel, son de tamaño muy pequeño, el agua no congela en ellos. La dimensión de estos vacíos es del orden de 0.0000018 mm, en cambio las partículas que conforman el gel son cuatro o cinco veces más grandes que los poros gel. La porosidad de la pasta cementicia esta entre 30 al 40 % del volumen del gel. Gel cemento es la pasta cementicia sólida que incluye a los cristales de hidróxido de calcio pero excluye a los poros capilares y a las partículas de cemento no hidratado.

g.-) Porosidad en el Agregado: Son los vacíos que se presentan en la parte interna del agregado, sobretodo cuando este es de poca densidad, poroso y permeable. La porosidad en el agregado en general está entre el 0.3% y 20 %.

CAPITULO III EL CEMENTO 1.- Definición: Se define como cementos a los materiales pulverizados que poseen la propiedad que, por adición de una cantidad conveniente agua, forman una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto bajo el agua como en el aire y formar compuestos estables. Quedan excluidas de esta definición las cales hidráulicas, las cales aéreas y los yesos.

- Cemento Portland En 1824 el cemento Pórtland fue patentado por Joseph Aspdin un constructor de Leeds. Es un producto artificial, obtenido de una mezcla de materias primas naturales arcillosas y calcáreas, por calcinación a una temperatura elevada de aproximadamente 1400-1450 °C, de la cual da como resultado el clinker, el cual es molido hasta alcanzar un grado de fineza adecuado, con la adición eventual del sulfato de calcio y otros productos que no deben exceder el 1% en peso del total y de acuerdo con las Normas vigentes.

MATERIAS PRIMAS DEL CEMENTO Las materias primas naturales : - piedras calizas, (CaCO3) entre 60 a 80% - areniscas - piritas de fierro - arcilla o pizarra, (Si) entre 60 y 70% - y minerales varios -la marga, que es una mezcla de materiales calcáreos y arcillosos - Yeso, aporta el sulfato de calcio. Además también se emplean materiales artificiales como escorias y residuos de procesos metalúrgicos

2.- El Cemento en el Perú En el año 1915 llega al Perú la compañía constructora norteamericana Fundation Co. Para ejecutar muchos proyectos en Lima; La Fundation trae los primeros hornos para fabricación de cemento. En el año 1916 la Compañía Peruana de Cemento Pórtland compra los hornos a la Fundation e instala en el Rímac la primera Fábrica de Cemento Comercial del Perú (Compañía Peruana de Cemento Pórtland) empleando materia prima de Atocongo.

Entre 1955 y 1975 se crean las Fábricas de cemento Chilca, Lima, Andino, Chiclayo, Pacasmayo, Sur y Yura, que van desarrollando diferentes tipos de cemento 3.- Obtención: Existen muchos métodos y sistemas debidamente patentados, pero sin embargo los más utilizados son el proceso “húmedo” o “seco”, por lo que estas separatas se detallará el proceso “seco” puesto que es el proceso que se usa actualmente con la finalidad de ahorro de energía.

A.- Extracción de Materia Prima - Explotación Esta operación consiste en extraer de las canteras y yacimientos las materias primas, para lo cual se usa procedimientos mecanizados, con maquinaria adecuada. - Transporte Las materias primas extraídas en las diferentes canteras y yacimientos son llevadas hacia la planta principal y para lo cual utilizan unidades de transporte de carga pesada de gran envergadura generalmente de 10 o más metros cúbicos de capacidad.

B.- Proceso de Trituración En la planta de trituración, las materias primas de piedra calizas y arcillosas, como también minerales de fierro, son reducidas en tamaños primeramente de 5” y posteriormente se realiza una nueva reducción hasta ¾”, utilizando todo un sistema de maquinas chancadoras. C.- Almacenamiento de Materias Primas Trituradas Por medio de fajas de transportadoras la materia prima triturada es llevada al Parque de Almacenamiento, para depositarla en forma separada.

D.- Molienda y Dosificación Las materias primas son reducidas a un material de gran fineza por medio de molinos de bolas y luego son seleccionados de acuerdo a sus propiedades químicas y se realiza la dosificación por peso empleando básculas de gran exactitud y tomando encuentra lo indicado por los ensayos en laboratorio y el tipo de cemento que se desee obtener.

E- Homogeneización y almacenamiento El material finalmente molido “Harina” es llevado a un silo de Homogeneización, en donde mediante agitadores de aire se obtiene una harina seca, homogénea, calidad y fineza en condiciones uniformes. Esta harina homogeneizada es llevada a silos de almacenamiento.

F.- Obtención del Clinker - Precalentamiento La harina homogeneizada es transportada a un intercambiador de calor, en una gran tolva, en la que la harina ingresa a una temperatura de 100°C y sale a 800°C.

- Calcinación La harina homogeneizada y precalentada es transportada a un horno giratorio levemente inclinado a más o menos 4 grados, con temperaturas de ingreso a 900 °C, hasta la salida con 1400-1450 °C, horno en donde por calcinación se desarrollan una serie de reacciones químicas y físicas, que dan lugar a la formación del “clinker”. - Enfríamiento Para bajar la temperatura del clinker se utilizan máquinas enfriadoras en forma rápida con aire insuflado por ventiladores.

Reacciones en el Interior del Horno Temperatura en el Horno ºC 110

Reaciones en el interior del Horno Evaporación de la humedad secado de los diferentes materiales.

110 – 450

Deshidratación de los materiales (arcillas, yeso y caolita), eliminación del agua absorvida

600 – 750

Inicio de reacciones de los materiales deshidratados y formación de pequeñas cantidades del C2S y compuestos intermedios como el aluminato de calcio y ferrocalcita (CA, C2F)

900

La caliza se ha convertido en cal viva debido a la pérdida de gas carbonico, la cal viva esta lista para reaccionar con el medio ambiente por lo cual es llevada rápidamente a la zona de sinterización.

1200

Las arcillas se empiezan a descomponer y liberan sílice, alumína y óxidos de fierro, la sílice reacciona con la cal y se forma el C2S (belita).

1300

Se forma el C4AF líquido que actúa como fundente donde se disuelven los demás minerales, este líquido es muy adhesivo y empezara a penetrar en los poros del ladrillo refractario, aislando y enfriándolo con lo cual queda pegado y se inicia la formación de la costra en el horno.

1340

Ls materiales disueltos en el C4AF reaccionan formandose el C2S e iniciándose el C3S.

1400

Se ha formado completamente el C3S, líquido muy viscoso que le da consistencia a la costra.

1400 – 1450

Se encuentran formados todos los compuestos.

G. Obtención del Cemento - Molienda y Adiciones Finales El clinker enfriado es llevado a un molino de bolas, con separadores automáticos, que permiten obtener una finura muy uniforme y de alta superficie especifica, y posteriormente se le adicionan yeso natural para controlar la fragua y otros materiales, como la puzolana de acuerdo al cemento que desee obtener. - Almacenamiento y Comercialización El cemento obtenido es transportado a grandes silos de almacenamiento, para luego ser comercializado en bolsas o a granel.

a) Proceso Húmedo

b) Proceso Seco

Componentes Químicos del Clinker

Oxido Componente

Porcentaje Típico %

Abreviatura

CaO

58 – 67

C

SiO2 AL2O3 Fe2O3

16 – 26 4–8 2–5

S A F

SO3 MgO K2O y NaO álcalis Mn2O3 TiO2 P2O5 Pédida y calcinación

0.1 – 2.5 1–5 0–1 0–3 0 – 0.5 0 – 1.5 0.5 - 3

Componentes Químicos Principales del Clinker

Designación

fórmula

Silicato Tricalcico

3CaO.SiO2

C3 S

30 – 60

Silicato Bicalcico

2CaO.SiO2

C2 S

15 – 37

Aluminato Tricálcico

3CaO.Al2O3

C3 A

7 – 15

4CaO.Al2O3 Fe2O3

C4 AF

8 - 10

Aluminio Ferrito Tetracálcico

Abreviatura % Tipico

Desarrollo de la resistencia de los componentes puros

Componentes Secundarios: ( en pequeñas proporciones) - Oxidos de Magnesio MgO - Oxidos de Manganeso Mn2O3 - Oxidos de Potasio y Sodio (conocidos como los álcalis producen una desintegración del concreto) - Oxidos de Titanio TiO2 Para determinar el cálculo de la composición del cemento se emplea el criterio de BOGUE, y el criterio de DAHL; estas ecuaciones o formulas dan similares resultados, las más utilizadas son las de BOGUE.

CRITERIO DE BOGUE Si Al2O3/Fe2O3= > 0.64 C3S = 4.071 CaO – 7.600 SiO2 – 6.718 Al2O3 – 1.430 Fe2O3 – 2.852 SO3 Si Al2O3/Fe2O3 < 0.64 C3S = 4.071 CaO – 7.600 SiO2 – 4.479 Al2O3 – 2.859 Fe2O3 – 2.852 SO3

C2S = 2.867 SiO2 – 0.7544 C3S C3A = 2.65 Al2O3 – 1.629 Fe2O3 C4AF = 3.043 Fe2O3

CRITERIO DE DAHL CaO = 0.7369 C3S +0.6512 C2S +0.6227 C3A + 0.4616 C4AF SiO2 = 0.2631 C3S + 0.3488 C2S Al2O3 = 0.3773 C3A + 0.2098 C4AF

4.- Presencia del Yeso En tanto que el C3S molturado a una fineza análoga a la del cemento tarda en fraguar, sin ninguna sustancia retardante, unas tres horas y el C2S unas cuatro horas, el clinker Pórtland molturado a finura análoga lo hace en pocos segundos. Esta diferencia se debe a la presencia en él de C3A y C4AF que posee una velocidad de hidrólisis mucho mayor; mediante la adición de yeso se consigue retrasar este tiempo.

La cantidad de yeso necesaria para regular el fraguado del cemento Pórtland oscila, según su pureza, entre un 6% y un 12% sobre el clinker. Estas cifras dan un contenido de SO3 de entre 2% y 3.5% y consiguen retrasar el fraguado unos 45 minutos, tiempo que se considera adecuado para situar el concreto plástico en su posición en obra y darle la forma requerida antes de su definitivo endurecimiento. El exceso de yeso lleva a la expansión y ala consecuente ruptura de la pasta de cemento.

5.- Hidratación del Cemento En presencia de agua, los silicatos y aluminatos del cemento Pórtland forman productos de hidratación o hidratos, que resulta en una masa firme y dura : la pasta endurecida del cemento. Como ya se estableció anteriormente los dos silicatos (C3S y C2S) son los principales compuestos aglutinantes en el cemento, los cuales el primero se hidrata mas primero que el segundo.

Para C3S : 2 C3S + 6 H [100] [24] Para C2S : 2 C2S + 4 H [100] [21] Para C3A : C3A + 6 H [100] [40]

C3S2H3 + 3Ca(OH)2 [75] [49] C3S2H3 + 3Ca(OH)2 [99] [22]

C3AH6 [140]

ACTIVIDAD PUZOLANICA Silicatos de calcio hidratados (Tobermorita) Silicatos de calcio (C3S y C2S)

+ Agua H2O(H)

Hidroxido de calcio Ca(OH) + Puzolana (Zeolita)

Silicatos de calcio hidratados (Tobermorita)

6.- Calor de Hidratación Como muchas reacciones químicas, la hidratación es exotérmica, y la cantidad de calor (en joules) por gramo de cemento no hidratado, desarrolla hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de hidratación. Para el promedio usual de cementos Pórtland, aproximadamente la mitad del calor total se libera entre uno y tres días, alrededor de ¾ partes en siete días y casi el 90% en seis meses.

Calor de hidratación Compuesto J/g

Cal/g

C3S

502

120

C2S

260

062

C3A

867

207

C4AF

419

100

Fig. Influencia del contenido de C3A en el desarrollo de calor ( el contenido de C3S es aproximadamente constante )

Fig. Influencia del contenido de C3S en el desarrollo de calor ( el contenido de C3A es aprox. constante )

Representación esquemática de la formación e hidratación del cemento Pórtland

Desarrollo del calor de Hidratación de diferentes cementos curados a 21ºC (a/c = 0.40 )

7.- Finura del Cemento La hidratación se inicia en las partículas de la superficie del cemento, el área de la superficie total del cemento representará el material disponible para hidratación. El índice de hidratación dependerá de la finura de las partículas del cemento y para el rápido desarrollo de la resistencia será necesaria una gran finura. Sin embargo, debe tenerse en cuenta el costo del molido y el efecto de la finura en otras propiedades, por ejemplo, los requerimientos del yeso, la manejabilidad del concreto fresco y su desempeño en el largo plazo.

La finura es una propiedad esencial del cemento y tanto la BS y la ASTM requieren la determinación de la superficie especifica (en m2/kg). Se puede lograr una aproximación directa al medir la distribución del tamaño de las partículas por sedimentación o levigación. Estos métodos se basan en la ley de Stoke, proporcionan la velocidad final de caída por los efectos de la gravedad de una partícula esférica en un medio fluido.

Método Wagner = Turbidímetro Método Lea y Nurse = Permeabilímetro con una ligera modificación por Blaine

8.- Tiempo de Fraguado Este término se emplea para describir para describir el endurecimiento de la pasta de cemento. Se refiere al cambio del estado fluido al estado rígido. El fraguado se debe principalmente a la hidratación del C3A y C3S, acompañada de una elevación de la temperatura de la pasta de cemento. El fraguado inicial corresponde aun incremento rápido, y el fraguado final ala temperatura pico. En el falso fraguado no se desprende calor alguno y el concreto puede remezclarse sin añadir agua.

Para determinar el fraguado inicial se emplea el aparato de Vicat, esta es una aguja de 1mm de diámetro, la cual debe penetrar 5mm la pasta de consistencia común bajo un peso prescrito (el tiempo se mide a partir de agregar el agua al cemento). El fraguado final se determina mediante una aguja con una aplicación de metal hueca hasta formar un filo circular de 5mm de diámetro y colocado a 0.5 mm detrás de la punta de la aguja; se considera que ha ocurrido el fraguado final cuando la aguja deja una huella en la superficie de la pasta, pero sin cortarla. La relación aproximada entre los periodos inicial y final de fraguado es la siguiente: TF (mín) = 90 + 1.2 [ TI (mín) ]

9.- Solidez Es esencial que la pasta de cemento fraguado no sufra un cambio notable de volumen, que en condiciones limitantes dé lugar a expansión apreciable que ocasione ruptura de la pasta endurecida. Esta expansión puede ocurrir debido a reacciones de cal activa, magnesio y sulfato de calcio. La Norma ASTM C-151 especifica la prueba de autoclave que es sensible tanto al magnesio como al a cal libre; la expansión resultante no debe exceder de 0.8%. No hay pruebas indispensables para detectar la falta de solidez a un exceso de sulfato de calcio.

10.- Resistencia

La prueba de resistencia no se hace directamente a la pasta debido a las dificultades de obtener buenas muestras y para probarlas con la consiguiente variabilidad de los resultados. Hay varias formas de pruebas de resistencia: a la tensión directa (ASTM C-190), a la compresión (ASTM C-109) y a la flexión (ASTM C-348)

11.- Temperatura La influencia de la temperatura sobre la velocidad de endurecimiento es importante. Las temperaturas mayores aceleran el desarrollo del endurecimiento, y las mas bajas lo hacen más lento. De acuerdo a Saul, la siguiente fórmula establece una relación entre la temperatura y el desarrollo del endurecimiento: R = A ( T + 10 )

12.- Clasificación y Tipos de Cemento Los cementos normalizados Portland de acuerdo con la Norma ASTM C-150 . Tiene cinco tipos diferentes, sobre la base del cambio de las proporciones de los componentes principales y así tenemos: a) Cemento Portland Tipo I: b) Cemento Portland Tipo II: c) Cemento Portland Tipo III: d) Cemento Portland Tipo IV: e) Cemento Portland Tipo V:

Desarrollo de resistencia de concretos con 335 kg/m3, elaborados con cementos de distintos tipos

De acuerdo a la norma ASTM C-595 se han obtenido nuevos cementos conocidos como “Cementos Adicionados”, como son los siguientes: (a) Cemento Portland Puzolánico IP: (b) Cemento Portland Puzolánico IPM: (c) Cemento Portland de Escoria IS: Cemento con una adición de escoria entre el 25 al 65% del peso total, las escorias son de altas hornos. Se obtiene concretos de baja resistencia iniciales, bajo calor de hidratación. (d) Cemento Portland de Escorias ISM:

(e) Cemento Portland Compuesto Tipo I : “Co” Cemento que se obtiene por la pulverización conjunta de clinker Portland y materias calizas como el travertino hasta un 30% del peso total. (f) Cemento Portland Blanco Tipo I: “B” Cemento que se caracteriza por su blancura, debido a que no se le agregan óxidos de fierro, da concretos de bajas resistencias iniciales, con bajo calor de hidratación.

(g) Cemento Portland de Albañilería “A”: Cemento que se obtiene por pulverización de materias primas calcáreas y arcillosas, que dan un producto que se caracteriza por dar morteros para usos de albañilería, tiene menores velocidades de fragua y resistencias iniciales, son económicos. En el Mundo existen otros tipos de Cementos especiales, pero que su difusión todavía es pequeña.

REQUISITOS FISICOS DEL CEMENTO Requisitos Físicos

Tipo I

II

V

MS

IP

ICo

Resistencia a la compresión Kg/cm2 (Mpa) 3 días 7 días 28 días

120 (12) 190 (19) 280 (28)*

100 170 280*

80 150 210

100 170 280*

130 200 250

130 200 250

Tiempo de Fraguado minutos Inicial, mínimo Final, máximo

45 375

45 375

45 375

45 420

45 420

45 420

Expansión en Autoclave % máximo

0.80

0.80

0.80

0.80

0.80

0.80

Resistencia a los sulfatos

---

---

0.04* 14 días

0.10 6meses

0.10* 6meses

---

Calor de hidratación Máx. KJ/Kg (cal/g) 7 días 28 días

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Finura Superficie específica Mét. Turbidímetro (m2/kg) Mét. Permeabilímetro (m2/kg)

290* (70)* ---

160 280

160 280

--290* (70)* 330* (80)*

160 280

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REQUISITOS QUIMICOS DEL CEMENTO Requisitos Químicos

Oxido de Magnesio (MgO), máx %

Trióxido de azufre (SO3), máx %

Pérdida por Ignición, màx %

Residuo insoluble, máx %

Aluminato Tricálcico (C3A), máx %

Álcalis equivalente (N2O + 0.658 K2O), máx %

* opcional

Tipo

I

II

V

MS

IP

ICo

6

6

6

---

6

6

3.5

3.0

2.3

---

4

4

3

3

3

---

5

8

0.75

0.75

0.75

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---

---

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8

5

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0.6*

0.6*

0.6

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FABRICAS DE CEMENTO NACIONALES Fabricante

Ubicación

Tipo de Cemento que Producen

Cementos Lima S.A.

Lima

Sol I, Sol II, Atlas IP

Cementos Andino S.A.

Tarma Junin

Andino I, II , V Andino IPM

YURA S.A.

Yura Arequipa

Yura I, II, V Yura IP, IPM

Cementos Pacasmayo

Pacasmayo La Libertad

Pacasmayo I, II, V Pacasmayo MS, IP, ICo

Cementos Sur S.A.

Juliaca Puno

Rumi I, II, V Rumi IPM

Cementos Rioja S.A.

Pucallpa Ucayali

Tipo IP

13.- Normalización del Cemento.Para determinar si la fabricación de los cementos cumplen con los requisitos físicos, químicos y mecánicos normalizados, se realizan los ensayos en el laboratorio, en base a las siguientes Normas: (solo se estan mencinado algunas de estas) NTP ASTM 334.001 C-150 Cementos definiciones y Nomenclaturas 334.002 C-204 Método para la determinación de la finura (Blaine) 334.004 C-151 Ensayo de autoclave . Estabilidad de volumen 334.005 CDeterminación del peso específico 334.009 C-150 Cementos Pórtland Tipo I. normal 334.038 C-150 Cementos Pórtland Tipo II 334.039 C-150 Cementos Pórtland Tipo III 334.040 C-150 Cementos Pórtland Tipo V 334.044 C-595 Cementos Pórtland Tipo IP y IPM 334.069 C-91 Cementos de Albañilería

14.- Duración y Almacenamiento de Cemento.a) Duración: Para determinar la duración de un cemento ya sea embolsado o a granel, las normas indican que en condiciones normales de almacenamiento, el cemento embolsado puede utilizarse hasta tres meses de su fabricación y cuando es a granel hasta seis meses. Pasados los tiempos indicados para poder utilizar dicho cemento debe realizarse ensayos en laboratorio con muestras mínimas de cinco kilogramos, para establecer si cumplen con los requisitos de Normas.

b) Condiciones de Compra: El cemento embolsado debe indicar, la marca del fabricante, peso, volumen, tipo de cemento y fecha de salida de la fabrica. Para el cemento o granel se entregará un certificado donde consten dichos requisitos.

c) Almacenamiento: Para el cemento embolsado, deberá realizarse en ambientes cerrados impermeables, para proteger al cemento de la humedad, lluvia, y en forma tal que permita su inspección e identificación por embarque, tratando que el retiro de las bolsas se hagan en el orden cronológico recepcionado. Las bolsas deben estar apiladas las más juntas posibles y en una altura máxima de doce bolsas.

Para el cemento a granel, este debe ser almacenado solamente en depósitos totalmente impermeables, como tolvas o silos herméticamente bien cerrados. No deberá mezclarse en el mismo depósito, cementos de diferente tipo.

¿Como elegir el tipo de Cemento ? Donde vamos a construir ? En que condición de exposición vamos a construir ? En que tipo de estructura y/o que proceso constructivo vamos a usar ?

Donde vamos a construir ? El medio ambiente y las condiciones de servicio afectan sustancialmente el comportamiento del concreto, por lo que es muy inportante tener en cuenta el manejo del calor de hidratación: En clima cálido : utilizar cementos con bajo calor de hidratación, ordenando los cementos de acuerdo al calor de hidratación que producen, de menor a mayor tenemos: IV (NP), V, II ó IP, IPM, IMS, ICo, I, III (NP). En clima frío : utilizar cementos con alto calor de hidratación. III (NP), I, IPM, II, Ico, IMS, IP, V.

En que condición de exposición vamos a construir ? El concepto que prima resistencia a la agresividad química, por lo tanto es muy importante tener encuenta las condiciones de exposición: Ambiente Marino : Expuesto al ataque de cloruros y sulfatos. V+Puzolana, V, IP, IPM, II, IMS, Ico, I. Suelo con sulfatos : Exposición por ataque de sulfatos. V, II ó IP, IPM, IMS, Ico, I.

En que tipo de estructura y/o que proceso constructivo vamos a usar ? En este caso el concepto que prima es desarrollo de la resistencia y calor de hidratación de la estructura a construir. Vaciados de gran volumen y poca área de disipación de calor: en este caso es importante tener en cuenta el

calor de hidratación del cemento. IV (NP), V, II ó IP, IPM, IMS, ICo, I, III (NP). Desencofrado rápido: en este caso es importante tener en cuenta la ganancia rápida de la resistencia del concreto. III (NP), I, IPM, ICo, IMS, V, IP.