Tecnologia del conceto y mortero.docx

DIEGO SANCHEZ DE GUZMAN

Ingeniero Civil, MIC, MSdS.

Biblioteca de la Construcción

TE N RET Y EL

lA EL

RTER

TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO © La Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana es titular de los derechos de autor sobre el libro "Tecnología del

concreto y del mortero" cuyo autor es el doctor Diego Sánchez de Guzmán, por tanto sus textos y gráficos no pueden reproducirse por medio alguno sin previa autorización escrita del autor y de la Universidad Javeriana. Para la presente edición, se ha autorizado a Bhandar Editores Ltda., a efectuar su edición y distribución.

Primera Edición: 1986:

Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería

Segunda Edición: 1993:

BHANDAR EDITORES LTDA.

Tercera Edición: 1996:

BHANDAR EDITORES LTDA.

Cuarta Edición: 2000

BHANDAR EDITORES LTDA..

Quinta Edición 2001

BHANDA.R EDITORES LTDA.. Carrera 13A No 90 ·21 ofc 205 Santafé de Bogotá, D.C. ·Colombia Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería Carrera 7a. No. 40-62, Zona Postal No. 1 ·Teléfono: 288 02 00 Santafé de Bogotá, D.C. ·Colombia

ISBN 958-9247-04-0

Fotografía:

Alicia María Durán Franch Alvaro Mejía Oribe Gilberto Londoño O. Ilustraciones:

Ximena Duque Valencia Hugo César Castro Chamucero © 1986, Pontificia Universidad Javeriana . Facultad de Ingeniería © 1991, Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería Diagramación

y artes:

Multiletras Editores Ltda.

Impresión: Cargraphics S.A.

Impreso en Colombia · Printed in Colombia PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA ·FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA CIVIL Carrera ?a. No. 40-62, Santafé de Boaotá, Zona Postal No. l. Teléfono: 288 02 00

Reconocimientos, De manera especial deseo agradecer a todas las personas y entidades que colaboraron para hacer' posible la realización de esta obra, pero especialmente a las siguientes instituciones que fomentaron mis · · conocimientos de la Tecnología del Concreto y me permitieron acceso a las publicaciones que se encuentran debidamente re{erenciadas al final de la obra, y por capítulos. FACULTAD DE INGENIERIA- PONTifiCIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA- UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ' FACULTAD DE INGENIERIA- UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA DEPARTMENT OF INDUSTRIAL SCIENCES- COLORADO STATE UNIVERSITY (U.S.A.) INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO -l.C.P.C. ASOC/ACION COLOMBIANA DE PRODUCTORES DE CONCRETO - ASOCRETO INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECN/CAS - ICONTEC INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO, A.C. -!MCYC AMERICAN CONCRETE INSTITUTE- A.C./. (U.S.A.) PORTLAND CEMENT ASSOC/ATION- P.C.A. (U.S.A.) CENTRAL DE MEZCLAS S.A.

Contenido

Reconocimientos ..................................................................................................................................

5

Prólogo......................................................................................................................................................

15

Capítulo 1

EL CONCRETO - GENERALIDADES.................................................................................................. Introducción .......................................................................................................................................... Definición ............................................................................ ................................................................... Reseña histórica.................................................................................................................................... Composición y definición de términos .............................................................................................. Características y funciones de los componentes ........................................................,..............;...... Conceptos básicos ........................................................................... ....................................................

19 19 19 19 22 22 24

Capítulo 2

CEMENTO PORTLAND ...........................................................................................................................

27

Introducción .......................................................................................................................................... Definición...............................................................................................................................................

27 27

Contenido

Desarrollo del cemento en Colombia .............................................................................................. Fabricación

·······································································································································

Propiedades químicas ...................................................................................................................... Propiedades físicas y mecánicas..................................................................................................... Clasificación del cemento portland ................................................................................................. Calidad del cemento portland .........................................................................................................

27 28 35 41

48

52

Capítulo 3 AGUA ....................................................................................................................................................

Introducción Definición .......................................................................................................................................... ................................................................................................... .

.

.

.

.

u• ••• ••• ••• ••• •• ••• ••• ••• •

57 57 57 57 59

Agua de mezclado ............................................................................................................................ Agua de curado ................................................................................................................................ Características químicas y físicas del agua de mezclado .............................................................. 60 Características del agua de curado ................................................................................................. 63 Especificaciones y calidad del agua ............................................................................................... 63

CONCRETO FRESCO ......................................................................................................................... Introducción ...................................................................................................................................... Manejabilidad .................................................................................................................................... Consistencia ..................................................................................................................................... Plasticidad ......................................................................................................................................... Medida de la manejabilidad ............................................................................................................. Factores que influyen en la manejabilidad ..................................................................................... Segregación ...................................................................................................................................... Exudación ......................................................................................................................................... Temperatura .....................................................................................................................................

65 LOS AGREGADOS O A.R.IDOS

........................................................................................................

Introducción ...................................................................................................................................... Definición Origen de los agregados naturales ................................................................................................. Petrografía y mineralogía ................................................................................................................. Clasificación de los agregados ........................................................................................................ Propiedades químicas ...................................................................................................................... Propiedades físicas........................................................................................................................... Propiedades mecánicas .........................................................;......................................................... Sustancias perjudiciales .................................................................................................................. Selección y producción de agregados ............................................................................................ Especificaciones y calidad del agregado ........................................................................................ .

u........................................................................................

65 65 65

68 69 70

72 98 100

102 108

TECNOLOGIA DEL CONCRITO Y DEL MORTERO

111 111 111 111 112 112 115 123 123

124.

Capítulo 6

RESISTENCIA DEL CONCRETO ......................................................................................................

Capítulo 4

8

Capítulo 5

Introducción ...................................................................................................................................... Relación agua-cemento ..................................................................................................................... Naturaleza de la resistencia del concreto ....................................................................................... Factores que influyen en la resistencia ........................................................................................... Medida de la resistencia a la compresión ....................................................................................... Medida de la resistencia a flexión y tracción .................................................................................. Comparación de las pruebas ........................................................................................................... Pruebas aceleradas .......................................................................................................................... Madurez del concreto .......................................................................................................................

127 127 127 129 130 138 141 142 143 145

Capítulo 7 DURABILIDAD DEL CONCRETO ....................................................................................................... Introducción ....................................................................................................................................... Definición ..........................................................................................................................................

Contenido

149 149 149

9

Permeabilidad .............................................................................................................................

·t' .· '

......

Humedecimiento-secado

................................................................................................................. Congelamiento

y

deshielo ............................................................................................................... Exposición del concreto a sustancias químicas agresivas ............................................................ Eflorescencias ............................................................................................................................. ..... Corrosión del acero de refuerzo y otros materiales embebidos en el concreto ...........................

Resistencia

a

la

abrasión

................................................................................................................. Resistencia

a la

meteorización ........................................................................................................ Resistencia al

fuego

Reacciones

149

150 151 153 156 157 158 161 161 162

......................................................................................................................... químicas

de

los

agregados

.......................................................................................... 165

Capítulo 8

Capítulo 10 CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO ....................................................................................

185

Introducción ............................................................................................................................... ....... Organización del control de calidad del concreto en la obra ........................................................ Ejecución del control de calidad del concreto en la obra .............................................................. Variaciones en la resistencia ........................................................................................................... Análisis de los resultados de resistencia ......................................................................................... Requisitos del nivel de resistencia ................................................................................................... Criterios de evaluación para diseño de mezclas ............................................................................ Ejemplo de aplicación ..................................................................................................................... Formatos gráficos de control ........................................................................................................

185 186 188

190 190

196 199 201 203

PESO UNITARIO Y APARIENCIA DEL CONCRETO ......................................................................

Introducción ............................................................................................................................... .......

165 165 166

Peso unitario del concreto

.

............................................................................................................... ' Medida del peso unitario en el concreto fresco ..............................................................................

204 y

Pruebas de resistencia del concreto en la obra .............................................................................. Capítulo 11

.·

..

·

......·.

Medida del peso unitario en ......................................................................

el

concreto

Apariencia del ...................................................................................................................

endurecido

DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO CAMBIOS VOUIMETRICOS DEL CONCRETO ..............................................................................

concreto Introducción ............................................................................................................................. .........

Capítulo 9

221

Cambios

volumétricos

en

estado

plástico

....................................................................,................. Cambios volumétricos en estado endurecido

................................................................................

Deformación

.......................................................................................................................

elástica

Fl ue nc ia .... .... .... .... .... ....

.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......

168 168

I n t r o d u c c i ó n

171 171 171 174 178 180

................................................................................................................................... Consideraciqnes básicas ................................................................................................................. Información ret¡\)erida de los materiales ........................................................................................ Procedimiento de diseño.................................................................................................................. Método A.C.l. 21 J. .1 ......................................................................................................................... Método gráfico .................................................................................................................................. Ejemplo de aplicación .....................................................................................................................

MORTt:RO

TE:CNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL

222

224 226

239 242

252

Capítulo 12

261

ADITIVOS PARA CONCRETO ...........................................................................................................

261

. . . 10

221

Introducción ............................................................................................................................... ....... Definición .................................................................:........................................................................ Con len/do

11

261

Desarrollo del empleo de aditivos ................................................................................................... Filosofía de la utilización de aditivos............................................................................................... Clasificación de los aditivos ............................................................................................................ Aditivos indusores de aire ............................................................................................................... Aditivos reductores de agua ............................................................................................................ Aditivos retardantes ......................................................................................................................... Aditivos acelerantes ......................................................................................................................... Aditivos superplastificantes ............................................................................................................. Aditivos minerales............................................................................................................................ Otros aditivos ................................................................................................................................... Especificaciones y calidad de los aditivos......................................................................................

261 262

263 263 268 270 271 272 273 275 276

Capítulo 15 CONCRETOS POR ESPECIALIDAD - NUEVAS TECNOLOGIAS...............................................

Introducción ...................................................................................................................................... Clasificación general del concreto ........................................,......................................................... Concretos por especialidad ............................................................................................................. Nuevas tecnologías .......................................................................................................................... REFERENCIAS ....................................................................................................................................

319

319 319 325 331 341

Capítulo 13 PRODUCCION Y MANEJO DEL CONCRETO ................................................................................

279

Introducción...................................................................................................................................... Instalaciones para la producción de concreto................................................................................ Proceso de producción de concreto................................................................................................ Proceso de manejo del concreto ..................................................................................................... Protección y curado .........................................................................................................................

279 280 283 292 297

Capítulo 14 MORTEROS ........................................................................................................................................... 303

Introducción...................................................................................................................................... Definición ........................................................................................................................................., Tipos y usos de los morteros .......................................................................................................... Propiedades del mortero de cemento portland .............................................................................. Diseño de morteros de cemento portland ...................................................................................... 12

303 303 303 308 310

TECNOLOGIA DEL CONCRuO Y DEL MOIITERO

Contenido

13

Ejemplo de aplicación .....................................................................................................................

12

316

TECNOLOGIA DEL CONCRuO Y DEL MOIITERO

Contenido

13

Prólogo

El hormigón de cemento, o concreto, es la única roca fabricada por el hombre. Hay muchas clases de hormigón, según el aglutinante o pegante que se use, pero el de cemento portland, que a propósito es el pegante más barato y más versátil que existe, es el único que adquiere las características de la roca en resistencia a la compresión, duración, impermeabilidad, peso unitario, dureza y apariencia, entre muchas otras. El concreto, como comúnmente se le denomina en nuestro país, no es un bien genérico como las piedras naturales o la arena, sino un material de construcción que se diseña y se produce de conformidad con normas rigurosas, para los fines y aplicaciones que se requieren en un proyecto determinado y con las características de economia, facilidad de colocación y consolidación, velocidad de fraguado y apariencia adecuada según su aplicación. Estos hechos no son bien conocidos o frecuentemente olvidados. Otro tanto acontece con los morteros, su fabricación, usos y aplicaciones. El cemento y sus deriuados, el concreto, los morteros y todos sus subproductos son resultados de "dise· ños", trabajos reales de ingenieria, susceptibles de toda acción de ajuste, modificación y, lo que es más importante, de optimización. Ello no debe implicar que hacer un buen concreto sea difícil. La experiencia ha confirmado que los materiales y procedimientos de un concreto bueno y uno malo pueden ser los mismos y que la diferencia entre los dos radica en los criterios juiciosos que se aplican durante su diseño, elabora· ción, colocación, curado y protección; lo cual en ningún momento genera un costo adicional como general· mente se cree. Estas elementales consideraciones, que deben ser tenidas en cuenta por quienes tienen en sus manos la preparación de especificaciones, construcción o supervisión de obras de interés público o privado, Prólogo

15

ponen de presente la necesidad de estudiar, conocer e investigar nuevos materiales y soluciones que permitan

Prólogo

15

mejores formas de hacer las cosas, de disminuir los costos y, en general, de mejorar la calidad de vida de nuestros compatriotas. Porque precisamente los países en vía de desarrollo, los que viven una permanente angustia económica, donde los recursos son verdaderamente escasos, son los países que, paradójicamente, no pueden darse el lujo de despilfarrar recursos, ni de improvisar soluciones, ni de acometer obras transito rias, pues todas estas acciones se traducen en mayores costos para la comunidad y en demora de las solucibnes sociales requeridas. En ello, el concreto compite ampliamente {rente a otros materiales de cons trucción. Por otra parte, es menester destacar la necesidad de "adaptar" (léase alpargatizar) las tecnologías foráneas a las condiciones técnicas, económicas, financieras y sociales del país o de la región receptora. No esdable, o por lo menos es un riesgo innecesario, pretender trasladar técnicas de un lugar a otro sin antes evaluar las consecuencias de la adopción y hacer los ajustes necesarios para obtener las ventajas buscadas sin sorpre sas o sobresaltos. Dentro de los anteriores órdenes de ideas, el cabal conocimiento de las propiedades y características de materiales como el concreto y el mortero en el ejercicio de la Ingeniería, la Arquitectura y la construcción modernas, permitirá mejorar cada vez más las relaciones beneficio/costo de una estructura de concreto simple o reforzado y optimizar estos recursos en la edificación. Esta obra pretende ser un modesto aporte a ello. Para cualquier autor resulta satisfactorio que su obra tenga una amplia difusión a medida que pasa el tiempo. Quince años han trascurrido, desde la primera aparición de esta obra como documento de soporte del curso de "Tecnología del Concreto", dentro del Programa de Educación Continuada de la Facultad de lngenieria de la Pontificia Universidad Javeriana, y trece desde que la Oficina de Publicaciones de la misma Universidad lo imprimió formalmente, para quienes toman el mismo curso a nivel de pregrado. Lo interesante de este proceso es que un gran número de Facultades de Ingeniería y de Arquitectura dei país y del extranjero, así como muchos profesionales, lo han adoptado, igualmente, como texto guía o Libro de consulta. Ello puede interpretarse y denotar el creciente interés e importancia que han adquirido el concreto y el mortero como materiales de construcción en Colombia y Latinoamérica. Lo que se enfatiza en esta obra es la adaptabilidad de estos materiales a una amplia variedad de usos y aplicaciones que los han convertido en un verdadero medio universal de construcción. Pues han demostra do tener una versatilidad ajena a cualquier otro material, y tienen la ventaja adicional de que se pueden elaborar con componentes que en su mayoría están disponibles localmente. Sin embargo, la investigación

y el desarrollo de nuevas tecnologías y aplicaciones es interminable. Los conocimientos avanzan, y por ello se ha elaborado una nueva edición. En esta oportunidad no sólo se han actualizado los últimos avances y aspectos relativos a la normaliza ción de los componentes del concreto y el mortero, sino que también se han ampliado algunos temas sobre propiedades, control de calidad, producción y manejo del concreto. Del mismo modo, se replanteó enteramente el capítulo 11, con base en una nueva adaptación que se hizo de la excelente metodología que sigue el Comité A.C.l.-2111 para diseñar mezclas de concreto de peso normal, y que ia hacen más adecuada a las condiciones y materiales del medio colombiano. Dentro del replanteo presentado en este capítulo, cabe destacar lo siguiente: En primer lugar, una guía más específica de la consistencia requerida por el concreto para diferentes tipos de construcción y condiciones de colocación y consolidación. En segunda instancia, unas nuevas tablas de estimación del contenido de agua de mezclado, por volu men unitario de concreto, para producir diferentes asentamientos en mezclas con y sin aire incluido, tenien do en cuenta, además, la demanda de agua para partículas de agregado de forma redondeada y textura lisa, o para partículas de agregado de forma angular y textura rugosa. Como tercer aspecto, la inclusión de la determinación de la resistencia de diseño de la mezcla, como un paso más del proceso. En cuarto y último lugar, la estimación de las proporciones de agregados por dos vías: una, usando el valor b/bo que tradicionalmente ha empleado el A.C./.-211 para agregados que cumplen las granulometrías propuestas en la norma A.S.T.M. C 33 (ICONTEC 174); y otra, utilizando el método gráfico que puede ser alternativamente empleado con agregados cuya gradación puede estar dentro o fuera de los límites de las especificaciones granulométricas, ya que se procede a optimizar su granulometria a través de una curva continua de gradación propuesta por el autor. Finalmente, se insertó un nuevo y último capítulo sobre concretos por especialidad y sobre nuevas tecnologías, que contempla un compendio de clasificaciones y tipos de concreto, según sus propiedades y características, según el sistema de colocación que se emplee, y según los desarrollos y nuevas tecnologlas que ha habido en años recientes. Pr6/ogo

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TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO

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Aunque ellCONTEC se refiere en sus normas tecnicas al Hormigón y no al Concreto, en esta segunda edición del libro se sigue utilizando extensamente ésta última denominación, que es la más común en nuestro país.

CAPITULO

1

Con esta nueva edición, al igual que con las anteriores, se pretende hacer un aporte actualizado sobre el "estado del arte" de la Tecnología del Concreto y del Mortero, en una impresión de lujo adelantada por Bhandar Editores, dentro de su colección Biblioteca de la Construcción.

El concreto - generalidades El autor

Introducción Durante el curso del presente siglo, el concreto se ha convertido en el material de construcción más ampliamente utilizado en todo el mundo debido a su extraordinaria versatilidad en cuanto a forma (se pue de moldear), función (uso estructural y no estructural) y economía, ya que la tecnología desarrollada a su alrededor hace posible su competencia no sólo con las construcciones de piedra y madera, sino también con las de acero. Su desarrollo se ha visto estrechamente vinculado al del "concreto armado", debido a que inicialmente se le concibió para fines estructurales, pues la asociación de concreto propiamente dicho y armaduras o varillas de acero forman un sólido único desde el punto de vista mecánico. El concreto ofrece, como las piedras naturales, una resistencia muy grande a los esfuerzos de compresión y muy escasa a los de tracción (por lo general, su resistencia a la tracción es del orden de un 10% de su resistencia a la compresión); por lo tanto, es inadecua do para formar piezas que han de resistir tracciones o flexiones. Pero al disponer varillas de acero en las zonas de tracción, se suple esta deficiencia, teniendo 18

TECNOLOG1A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO

El concreto -generalidades

entonces una pieza resistente a la flexión. De manera que, el "concreto armado" es una piedra artificial que puede resistir esfuerzos de compresión, tracción y flexión, circunstancia que no se da en las piedras naturales. Por tal motivo, las propiedades y características del concreto se estudian con el fin de determinar el diseño de mezcla adecuado (proporcionamiento de sus ingre dientes) para las condiciones especificadas en un proyecto dado.

Definición En términos generales, el concreto u hormigón puede definirse como la mezcla de un material agluti nante (Cemento Portland Hidráulico), un material de relleno (agregados o áridos), agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse forma un todo compacto (piedra artificial) y después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión.

Reseña histórica Probablemente la historia de los cementantes es tan antigua como la propia humanidad. Su empleo se

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remonta a las épocas en que el hombre se vio en la necesidad de construir su propia habitación utilizando arcilla o una mezcla de cal y arena para mantener juntas las piedras o ladrillos de ésta. No hay forma de averiguar cuándo se descubrió por primera vez un ma terial aglomerante, pero seguramente fue después del primer uso inteligente del fuego. Uno puede imaginar se al hombre primitivo encendiendo su fuego en un hoyo rodeado de piedras de caliza y yeso; el calor descarbonata o deshidrata una parte de las piedras, que caen convertidas en polvo entre las restantes.Una ligera lluvia por la noche moja este polvo y los trozos de piedra quedan sólidamente unidos, formándose la primera mampostería. Tal vez el dato más exactodeempleo de materiales cementantes se remonta hacia el año 2690 A.C., cuan do los egipcios construyeron la pirámide de Gizeh, en donde los bloques de piedra de esta obra de cuarenta pisos fueron pegados con un mortero hecho de yeso calcinado impuro y arena; a esta obra siguieron las que aún hoy en día se encuentran a lo largo del rio Nilo. Más tarde en Grecia y Roma se produjeron morte ros hechos a base de pasta de caliza calcinada (cal vi va) y agua, a la cual se adicionaba arena, para unir las estructuras de piedra y ladrillo. Posteriormente a estas .mezclas se incorporaron piedra triturada, tejas rotas o ladrillo, dando origen al primer concreto de la historia Debido a que los morteros de cal viva no resistían muy bien la acción del agua durante periodos largos, se presume que a esta mezcla se incorporaron toda clase de agregados en una u otra época y pronto se descubrió que la arena proveniente de ciertas rocas volcánicas tenía mayor resistencia y duración tanto en aguas dulcescomo saladas. Igualmente sucedió con la arcilla quemada que era finamente triturada e incorpo rada al mortero. Por ejemplo, los griegos emplearon una toba volcánica extraída de la isla de Santorin y los romanos usaron un material similar que se encuentra en gran cantidad alrededor de la bahía de Nápoles, el cual fue conocido como cemento puzolánico debido a 20

que se le encontró por primera vez en las cercanías del pueblo de Pozzuoli, cerca del Vesubio.

sólo podía obtenerse de una caliza que tuviera un alto contenido de impurezas de tipo arcilloso.

De tal manera que de una mezcla de este material con cal y piedras están construidas algunas estructu ras como el Panteón Romano, el Coliseo,la Basílica de Constantino, el Puente de Gard, cerca de Nimes, al sur de Francia, y otras estructuras que han llegado hasta nuestros días y han resistido notablemente los emba tes del tiempo.

En losañossiguientesa este hallazgo se desarrolla ron muchos tipos de cementos hidráulicos y a partir de ese momento mejora la calidad de los morteros y co mienza el desarrollo del concreto, gracias a los adelan tos conseguidos en el conocimiento de los cementos. Así, en 1824 Joseph Aspdin, un constructor de Leeds (Inglaterra), calcinó en un horno una mezcla de tres partes de piedra caliza por una de arcilla, la cual molió y pulverizó, obteniendola patente del cemento Portland, que debe su nombre a unas piedras calizas extraídas de la región de Portland, al sur de Inglaterra (en la -can tera de Dorset), ya que al fraguar y endurecer tomaba un aspecto parecido en color y calidad a estas piedras.

Igualmente, a nivel latinoamericano hay muestras de desarrollo de materiales cementantes y estructuras imponentes como las ciudades construidas por los mayas y los aztecas en México o las construcciones de Machu Picchu en el Perú, entre otras. Por otra parte, la mala calidad de los morteros usa dos en la Edad Media parece ser debida a una cocción incompleta de la cal, descuido en la mano de obra y carencia de tobas volcánicas. Después del siglo XII · mejoró la calidad y de nuevo se notó que esto iba · acompañado de una perfecta calcinación de la cal y del uso de algún material similar en propiedades a las to bas volcánicas anteriormente mencionadas. El Trass de Andemach, junto al Rhin, cerca de Coblenza, era un material de este tipo. Durante los siglos posteriores, los avances fueron pocos hasta el punto de que sólo llegó a producirse un mortero débil hecho únicamente de cal y arena.A prin cipios de la edad moderna se presentó no sólo una dis minución general en calidad, sino que la fabricación y uso del cemento se acabó. Solamente hacia el siglo XVlll, en el cual se desarrolló un desmesurado afán por la investigación, el ingeniero inglés John Smeaton, a quien se le encomendó construir el faro de Eddyston, en la Costa de Cornwall (Inglaterra) en 1756, decidió adelantar una serie de estudios tendientes a encontrar el mejor mortero para que el faro pudiera soportar el azote casi continuo del agua y de estos estudiosdedujo que la cal hidráulica (resistente a la acción del agua)

TECNOLOGIA DEL CONCREJU Y DEL MORTERO

A Aspdin se le reconoce como el actual inventor del cemento Portland, aunque su método de fabrica ción fue conservado con mucho secreto. Su patente fue escrita en forma tan confusa y oscura, que nadie fue capaz de imitar a pesar de los esfuerzos hechos. Unicamente hasta 1845, el inglés Isaac Johnson logró con éxito perfeccionar y fabricar este producto quemando una mezcla de caliza y arcilla hasta la for mación del clinker, el cual después fue pulverizado ob teniendo un compuestofuertemente cementante.John son encontró que la temperatura de calcinación debía elevarse hasta el máximo que pudiera lograrse con los métodos de ese tiempo y describió sus experimentos más explícitamente que Aspdin. Tamando como base losexperimentosdeJohnson, la fabricación de cemento Portland se inició en varias factorías, no sólo en Inglaterra, sino también en toda Europa. La cantidad producida fue muy pequeña. Unicamente hasta el año 1900, aproximadamente, empezó el crecimiento notable de la industria del cemento, debido fundamentalmente a dos factores. En primer lugar, los experimentos realizados por los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán El concreto - generalidades

Michaélis, con los cuales se logró producir cemento de una calidad uniforme, de modo que pudiera ser usado en la industria de la construcción. En segundo lugar, dos invenciones mecánicas muy importantes se hicie ron al principio del siglo: los hornos rotatorios para la calcinación y el molino tubular para la molienda. Con estas dos máquinas pudo entonces producirse el ce mento Portland en cantidades comerciales.A partir de este momento se desarrolla el rápido crecimiento de esta industria que hoy en día produce un material de construcción imprescindible dentro del actual sistema de vida. El desarrollo del concreto propiamente dicho, como material de construcción, empezó hada principios del siglo pasado poco después de la obtención de la patente del "Cemento Portland" (1824) y posterior mente se afianzó con la invención del concreto armado que se atribuye al jardinero parisiense Jack Monier, quien, hacia el año 1861, fabricó un jarrón de mortero decemento, reforzadocon un enrejado dealambre.Es te material se vino a conocer como ferrocemento, un· siglo más tarde. La verdad es que antes de esta fecha ya se habían construido diversos objetos aplicando la misma idea, pero sin que tuvieran trascendencia en la industria ni en la construcción.Así, por ejemplo, Lambot construyó en 1850 una barca de cemento reforzada con hierro, que pudo verse en la Exposición Universal de París del año 1855 y que aún se exhibe en el parque Miraval. En el mismo año de 1861, el ingeniero francés Coignet estableció normas para fabricar bóvedas, vi gas, tubos, etc., con este novedoso material, del cual presentó, asociado con Monier, algunos ejemplares en la misma exposición del año1867.En este mismo año, Monier obtuvo sus primeras patentes para hacer estos elementos. Posteriormente, en manos de los ingenieros y de múltiples investigadores, la tecnología del concreto nació en los albores del presente siglo y alcanzó para lelamente al estudio del concreto reforzado la impor-

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( ( (

tanda trascendental que tiene en la técnica construc tiva de la civilización industrializada que hoy conoce mos. Por tal motivo, es llamado la piedra del siglo XX.

Composición y definición de términos De acuerdo con lo descrito en la definición de con creto, en la figura 1.1 se esquematizan las proporcio nes, por volumen, de cada uno de los materiales que lo constituyen, con el objeto de dar una idea acerca de la incidencia que tienen las caracteristicas y funciones de éstos, dentro de la masa, así como definir algunos términos que son de uso común. P a s t a o p e g a n t e El término pasta se refiere a la mezcla de cemento,

agua, aire (naturalme nte atrapado o intencional mente incluido) y aditivos (cuando son añadidos ). M o r t e r o Este ·término, que ya ha sido mencionad o con anteriorida d, se refiere a la mezcla de pasta y agregado fino (arena), la cual es muy utilizada en la pega de ladrillos para hacer muros de mamposter ía o en el recubrimie nto de éstos últimos, caso en el cual se le conoce como pañete, repello o revoque.

C o n c r e t o El mortero mezclado con agregado grueso (pie dra), da como resultado el concreto u hormigón. Adicionalment e, cuando al concreto se agregan pie dras de gran tamaño (piedrabola, rajón, mediazonga, etc.) cuyo diámetro es del orden de 20 cm o más, se le conoce con el nombre de concreto de agregado precolocado, y más comúnmente en nuestro medio como concreto ciclópeo.

Figura 1.1 Componentes del concreto (1.8)

Concreto con

aire Incluido

Características y funciones de los componentes Cemento El cemento que se utiliza, como ya se mencionó, es cemento portland hidráulico, el cual tiene propiedades tanto adhesivascomo cohesivas, que le dan capacidad de aglutinar los agregados o áridos para conformar el concreto. Estas propiedades dependen de su compo sición química, el grado de hidratación, la finura de las particulas, la velocidad de fraguado, el calor de hidratación y la resistencia mecánica que es capaz de desarrollar. Agua La razón de que los cementos sean hidráulicos es que éstos tienen la propiedad de fraguar y endurecer con el agua, en virtud de que experimentan una reac ción química con ella, de tal manera que el agua como material dentro del concreto esel elemento que hidrata las particulas de cemento y hace que éstas desarrollen sus propiedades aglutinantes.

Al mezclarse el agua con el cemento se produce la pasta, la cual puede ser más o menos diluida, según la

cantidad de agua que se agregue. Al endurecer la pasta, como consecuencia del fraguado, parte del agua queda fija (agua de hidratación) en la estructura rígida de la pasta y el resto queda como agua evapo rable. A i r e Cuando el concreto se encuentra en proceso de mezclado, es normal que quede aire incluido dentro de la masa (aire naturalmente atrapado), el cual poste riormenteesliberad o porlos procesosdecompa ctación a que es sometido el concreto una vez ha sido coloca do. Sin embargo, como la compactación no es perfec ta, queda siempre un aire residual dentro de la masa endurecida. Por otra parte, en algunas ocasiones se incluyen burbujas de aire, por medio de aditivos, con fines específicos, como se verá más adelante. F u n ci o n e s d

la past a de cem ento Cuando la mezcla se encuentra en estado plástico, la pasta actúa como lubricante de los agregados, co municando fluidez a la mezcla, lo cual permite que la colocación y consolidación del concreto sean adecua das, ya que un alto grado de confinamiento conduce a una mayor resistencia.

Agregados o áridos Como agregados o áridos para concreto pueden tomarse en consideración todos aquellos materiales que, poseyendo una resistencia propia suficiente (re sistencia del grano), no perturban ni afectan el proceso de endurecimiento del cemento hidráulico, es decir que son inertes y garantizan una adherencia suficiente con la pasta de cemento endurecida. Estos materiales pueden ser naturales o artificiales, dependiendo de su origen. Funciones de los agregados

Cuando la mezcla se encuentra en estado sólido, la pasta de cemento obtura los espacios que hay entre las particulas al aglutinarse, reduciendo la permeabilidad del concreto y evitando el desplazamiento de agua dentro de la masa endurecida, lo cual es crítico en es tructuras hidráulicas o en concretos que estén expues tos a la acción de aguas agresivas que eventualmente puede degradar la estructura de la masa haciéndole perder resistencia.

Los agregados, en combinación con la pasta fra guada, también proporcionan parte de la resistencia mecánica característica a la compresión, debido a que, como se mencionó anteriormente, éstos tienen una resistencia propia que aportar al concreto como masa endurecida.

Adicionalmente, la pasta fraguada y endurecida en unión de los agregados contribuye a suministrar la resistencia mecánica característica a la compresión, lo cual depende la llamada interfase agregadopasta, o agregado matriz.

Cuando la mezcla de concreto pasa del estado plástico al estado endurecido durante el proceso de fraguado, losagregados controlan loscambios volumé tricos de la pasta, evitandó que se generen agrie tamientos por retracción plástica que puedan afectar la resistencia del concreto.

La razón principal de la utilización de agregados dentro de una mezcla de concreto, es que éstos actúan como material de relleno, haciendo más económica la mezcla. ·

Aditivos Desde mediados del presente siglo se ha desarro llado toda una tecnología sobre la utilización de los

aditivos, que son materiales distintos del agua, los agregados y el cemento hidráulico que se utilizan como ingredientes en

concretos y morteros y se aña den a la mezcla inmediatamente antes o durante su mezclado.

22 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO

En términos de su función, éstos pueden ser reductores de agua, retardantes o acelerantes. Hay El concreto - generalidades

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algunos otros, como los inclusores de aire, las puzolanas, los colorantes, etc.

Funciones de los aditivos Pueden ser utilizados para modificar las propieda des del concreto de manera que lo hagan más adecua do para las condiciones de trabajo. Pero, también pue den ser usados por razones de orden económico, ya que permiten, en algunos casos, reducir los costos de fabricación del concreto.

Conceptos básicos Como se ha visto, el concreto está compuesto principalmente de cemento, agregados y agua.Contie ne asimismo alguna cantidad de aire atrapado y puede contener aire incluido intencionalmente mediante el uso de un aditivo o un cemento inclusor de aire. Las propiedades del concreto y del mortero se estudian primordialmente con la finalidad de determi nar el diseño de la mezcla, el cual se define como el

proceso para seleccionarlos ingredientes adecuados y determinar sus cantidades relativas, con el objeto de producir, tan económicamente como sea posible, un concreto o un mortero con un mínimo de ciertas propiedades. De tal manera que los factores básicos en el diseño de una mezcla de concreto o de mortero son los siguientes: -

Economía Facilidad de colocación y consolidación Velocidad del fraguado Resistencia Durabilidad Impermeabilidad Peso unitario Estabilidad de volumen Apariencia adecuada

Estos factores o características requeridas están determinados por el uso al que estará destinado el concreto y por las condiciones esperadas en el mo mento de su colocación.

Primera parte

Materiales

24

TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO

CAPITUL O

Ceme nto portla nd

Introducción

Definición

primas y Prácticamente pueda excelencia versátil,compacto con resistencia mecánicas y durabilidad adecuadas. de usos. Esta definición no sólo abarca los cementos el propia mente dichos, sino concreto una gran variedad de materiales de cementación tales como las cales, los entonces, asfaltos y los materiales alquitranes. con describirá En el medio de la estudiarán construcción, y más físicasespecífica mente en el de las la fabricación de concreto finalmente para estruc turas, es procedimientos reconocidorecomendados que al control.mencionar la palabra cemento, implícitamente ésta se refiere a cemento portland, o cemento a base de portland, el cual tiene la propiedad de palabrafraguar y endurecer en presencia de agua ya que aglomerante con ella experimenta una adherencia reacción quími ca. Este permiten se llama sí, proceso hidratación, por lo cual son también llamados cementos hidráulicos.

Desarrollo cemento Colombia

del en

Durante la primera década del presente siglo, en el año de 1905, se inició la instalación de la primera planta para fabricar portland en el país, por parte de la entonces naciente factoría de "Cemento Samper", en la ciudad de Bogotá. Esta empezó a operar en el año de 1909 con una producción diaria de 1O toneladas, en un pequeño horno. Como es de imaginar, por aquella época Bogotá era todavía una dudad de calles empe

dradas, las obras eran muy escasas y en las estructu-

Cemento portland

27

ras de alguna importancia se empleaban principal mente elementos metálicos o mamposteria de piedra. A medida que se fue desarrollando la industria de la construcción, la mencionada fábrica fue aumentan do su producción, pero sólo hasta los años de 1933 y

1934 se montaron los dos primeros hornos rotatorios de 100 y 150 ton/dia, en la Calera (Cundinamarca) y n Apulo (Cundinamarca) por parte de Cementos Samper y Cementos Diamante. Más tarde, en 1936, Cementos Argos inició operaciones en la ciudad· de Medellin, con una producción de 50 ton/día. A partir de 19411a producción en el Valle del Cauca la comienza Cementos del Valle; en 1943 se inicia en el Magdalena Medio con Cementos del Nare, luego en 1949 se extiende a la Costa Atlántica con Cementos Caribe en Barranquilla y más tarde, en 1959, al oriente del país, en San Gil (Santander), con Cementos Hércules. Posteriormente se crearon varias fábricas distribui das por 5 zonas del país, tal como lo muestra la figura 2.1, llegándose hoy en día a un total de 16 fábricas distribuidas en 10 departamentos del país.

Fabricación Como se ha podido observar, el cemento portland se fabrica generalmente a partir de materiales minera.Je{calcáreos, tales como la caliza, y por alúmina y sílice, que se encuentran como arcilla en la naturaleza. En ocasiones es necesario agregar otros productos para mejorar la composición química de las materias primas principales; el más común es el óxido de hierro. Las calizas, que afortunadamente se presentan con frecuencia en la naturaleza, están compuestas en un alto porcentaje (más del 60%) de carbonato de calcio (CaCO), e impurezas tales como arcillas, sílice y dolomita, entre otras. Hay diferentes tipos de calizas y prácticamente todas pueden servir para la produc ción del cemento, con la condición de que no tengan cantidades muy grandes de magnesio, pues si el 28

cemento contiene más cantidad del límite permitido,el concreto producido con él aumenta de volumen con el tiempo, generando fisuras y por lo tanto pérdidas de resistencia.

Figura 2.1 Industria Colombiana del Cemento. Distribución

geográfica de los mercados y localización de las fábricas.

La arcilla que se emplea en la fabricación del ce mento está constituida principalmente por un silicato hidratado complejo de aluminio, con porcentajes me nores de hierro y otros elementos. La arcilla aporta al proceso los óxidos de sílice (SiO), hierro (Fep) y aluminio (Alp). El

OCEANO ATIANTICO

.A. • Cemento gris

t ·Cemento blanco

8 -Ciudades

sulfato de calcio hidratado (CaSO¡Hp), es un producto que se agrega al final del proceso de producción, con el fin de controlar el tiempo de fragua do del cemento.El proceso de fabricación del cemento comprende las siguientes etapas principales: -

yeso,

VENEZUELA

Explotación de materias primas Preparación y dosificación de materias primas Homogeneización Clinkerización Enfriamiento Adiciones finales y molienda Empaque y distribución

Como la mezcla y pulverización de materias pri mas puede efectuarse tanto en presencia de agua co mo en seco, existen actualmente dos procesos univer salmente usados para la producción de cemento: el proceso húmedo y el proceso seco. La utilización de uno u otro dependede muchosfactorestantofisicos (cal dad de la caliza, humedad de la arcilla, etc.) como eco nómicos. A continuación se detallarán brevemente las etapas anteriormente mencionadas, que se compren derán mejor haciendo referencia a lasfiguras 2.2 y 2.3.

Explotación de materias primas Las materias primas se extraen de las canteras por procedimientos normales para este tipo de explota ción. Las calizas pueden ser de dureza elevada, de tal modo queexijan el usodeexplosivos y luegotrituración,

CONVENCIONES

OCEANO PACIFICO

BRASIL ZONAS

G) @

Costa Atlántica:San Andrés y Providencia Guajira - Cesar - Magdalena - Atlántico - Sucre - Córdoba - Amazonas NorOeste:Antioquia -Chocó

Sur Oeste: Caldas - Quindlo - Risaralda 0 VaUeCauca- Nariño- Putumayo

@

@

Central: Bogotá, D.C.- Cundinamarca- Te lima - Huila - Caquetá - Boyacá - Meta -

Arauca

(

Nor Este:Santander·Norte de Santander

¿ TECNOLOG/A DEL CONCRf:TO Y DEL MORTERO

Cemento portland

29

(

( ( (

o suficientemente blandas como para poderse explo tar sin el uso de explosivos. Las arcillas normalmente se encuentran en condiciones de poder mezclarse directamente con la caliza y su extracción generalmen· te es por arrastre, o sea a través de palas mecánicas, cargadores y traíllas. Preparación, dosificación y molienda Una vez explotada la caliza, ésta se transporta de la cantera a una trituradora (o a una planta de trituración) para una trituración primaria que la deja con un tama ño máximo de partículas de aproximadamente 25 mm (1"), antes de pasarla a molienda con la arcilla. Tomando en consideración el proceso por vía húmeda, si la arcilla es bastante húmeda y tiene la pro piedad de desleírse o derretirse en el agua, debe ser so metida a la acción de mezcladores para formar la lechada·esto se efectúa en un molino de lavado, el cual es un p zo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerados de materias sólidas. La mezcla de la caliza triturada y la lechada de arcilla, en proporciones predeterminadas, que depen den de la pureza de los materiales (su propia compo sición química) y de la composición que se debe obtener del cemento una vez producido, se lleva a un molino de cuerpos moledores (bolas o barras), llama do molino de crudo, que muele y pulveriza los materia les hasta un tamaño medio de 0.05 mm. Aquí se inicia la mezcla íntima de los dos materiales.

Como se puede ver, e11el proceso por vía húmeda esta molienda se efectúa en presencia de agua y el producto que sale del molino tiene aproximadamente entre 35% y 50% de agua y se conoce con el nombre de "pasta". En los procesos por vía seca o semiseca, las ma terias primas se trituran y adicionan en las proporcio nes correctas en el molino de crudo, donde se secan

(conteniendo menos de 1 a 2% de agua) y se reduce su tamaño a un polvo fino. Este polvo seco que sale se llama grano molido, crudo o "harina".

Figura 2.2 Proceso de fabricación del cemento portland por vía húmeda

Homogeneización Las materias primas debidamente proporcionadas y molidas a finas partículas, como se indicó en el punto anterior, deben homogeneizarse en la mejor forma po sible, ya que en las reacciones químicas que se suce den en el proceso, es de importancia definitiva el contacto íntimo entre los distintos componentes. En el proceso de fabricación por vía húmeda, la "pasta" es por tanto bombeada a tanques de homogeneización llamados "balsas", que son grandes tanques cilíndri cos con un equipo que gira en torno a un eje central y con una serie de aspas que a su vez giran suspendidas del soporte principal con el objeto de impedir la sedimentación de los sólidos mediante agitación me cánica y burbujeo de aire comprimido.

FABRICACION DE CEMENTO PORTLA!'ID

EXPLOTACION DE lA CANTERA DE CAUZA DEPOSITO DE CAUZA Y ARC lA

TRITURADORA PRIMARIA

La pasta permanece en las balsas durante varias horas, en tanto que se controla su homogeneidad química y se hacen las correcciones que sean del caso, basadas en muestras periódicas que se toman para analizar en el laboratorio. En el proceso por vía seca, el grano molido o "hari na" que sale del molino de crudo se transporta por me dios mecánicos o neumáticos a unos silos de homoge neización, que son tanques cilíndricos de gran altura en los cuales se hacen los ajustes finales y la mezcla se ho mogeneíza inyectando aire a presión por la parte inferior del silo.

HORNO

De las balsas o los silos de homogeneización, se gún sea el caso, la mezcla pasa a tanques o silos de almacenamiento, donde queda lista para entrar a la siguiente etapa del proceso.

COLECTOR DE POLVO

HOMOOENEIZAOORES DE

DEPOSITO DE

P.\STA(BA!SAS)

PASTA

ENFRIADOR DE

CUNKER

Clinkerización La mezcla de materias primas debidamente dosi ficada, pulverizada, corregida, mezclada y hornoCemento portland

30

TRITURADORA SECUNDARIA

TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO

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Figura 2.3 Proceso de fabricación del cemento portland por vía seca

FABRICACION DE CEMENTO PORTLAND EXPlOT CION DE lA C NTERDE C UZA DEPOSrTOOE

C ZA Y ARCillA

geneizada, se somete a continuación a un tratamiento térmico en grandes hornos rotatorios. El hornoes un cilindrode acero de gran tamaño, re cubierto de material refractario (forro de ladrillos re fractarios) para protegerlo del calentamiento y dis minuir pérdida de calor por radiación, con un diámetro interior hasta de 5 m y una longitud que a veces al canza 150m, el cual gira lentamente alrededor de su eje. Está hecho con una ligera inclinación en relación con la horizontal, para que el material que se echa por

la parte superior, baje lentamente hacia la salida inferior, a medida queel horno gira. En la salida inferior del horno se encuentran grandes quemadores que proyectan hacia el interior un chorro encendido de ACPM, fuel-oil, gas o carbón pulverizado, donde la temperatura alcanza de 1.400 a 1.5000