Introducción
La selección del material de construcción es una de las primeras y más importantes decisiones en la concepción y diseño de un proyecto.
El material con que esta hecha una estructura es el que falla, no el elemento estructural.
Para el ingeniero es importante relacionar el comportamiento químico, físico, y mecánico de cada material con la estructura interna de este, para llegar a comprender efectivamente su comportamiento y sus propiedades en general.
Los materiales de construcción son parte de la materia que se encuentra en el universo
Sustancias constitutivas de los cuerpos o partes limitadas de la materia. Substancias cuyas propiedades las hacen útiles al hombre (fabricación de productos técnicos: estructuras, máquinas, productos, etc.) Responsables del comportamiento de la mayoría de las estructuras: Materiales Estructurales.
Los materiales que se utilizan en general van variando con el tiempo, a medida que la tecnología avanza, se producen nuevos materiales con mejores características. Un ejemplo claro de esto es la introducción de los polímeros (plásticos en general).
EL CEMENTO
Cemento
Introducción:
El cemento, es una material pulverizado (polvo finísimo de color gris) de naturaleza inorgánica, que mezclado con agua endurece. Se denomina conglomerante hidráulico porque endurece tanto al aire como bajo agua. Genera altas resistencias mecánicas y productos insolubles en agua.
Historia:
Antiguamente los egipcios utilizaban yeso calcinado como pegamento de las piedras:
Yeso impuro calcinado (sulfato de calcio CaSO4 x 2H2O) 4.000 A.C.
Probablemente, los antiguos romanos fueron los primeros que utilizaron el hormigón fabricado con cemento hidráulico, un material que se endurece bajo el agua, sin necesidad de carbonatarse con anhídrido carbónico del aire. Esta propiedad y otra relacionada con el hecho de no sufrir cambio químico por la acción del agua en su vida posterior, son las más importantes y las que contribuyeron a la difusión del empleo del hormigón como material de construcción. El cemento romano era una mezcla de cal con puzolana, que cayó en desuso y no fue sino hasta 1824 cuando el cemento moderno, conocido como cemento Pórtland, fue patentado por Joseph Aspdin, un constructor de Leedse, Inglaterra.
Se da el nombre de Pórtland a un cemento obtenido por la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales asociados con sílice, alúmina y óxido de hierro, que son calentados a temperaturas de fusión parcial o clinkerización, para posteriormente moler el producto resultante o clinker
Existen cementos hidráulicos de diferentes tipos: puzolánicos, siderúrgico, resistentes a sulfatos, expansivos, etc.
Funciones del cemento en el hormigón:
-Llenar huecos entre partículas del árido aglomerándolas .ayuda a lubricar y a dar cohesión as la mezcla del hormigón en estado fresco
-Proporciona resistencia al hormigón endurecido, dependiendo de: razón w/c ,tipo de cemento ,condiciones de curado
-Da impermeabilidad al hormigón endurecido al taponar los huecos entre los granos del árido.
Esquema del efecto de la razón agua /cemento en la resistencia e impermeabilidad del hormigón
Se puede apreciar como la resistencia y la impermeabilidad van aumentando a medida que se hidrata el cemento, además se aprecia la importancia de la razón agua cemento y el curado en estas propiedades.
Elaboración del cemento Pórtland
De acuerdo con la definición de cemento Pórtland está hecho básicamente de la combinación de un material calcáreo, piedra caliza y una base de sílice y alúmina, como arcilla o esquisto, y yeso. El proceso de fabricación consiste esencialmente en moler las materias primas hasta lograr un polvo muy fino, mezclarlas perfectamente en proporciones establecidas y quemarlas en un gran horno rotatorio a una temperatura de aproximadamente 1400 ºC. El material se funde parcialmente hasta convertirse en clínker. Cuando el clínker se enfría, se le agrega yeso y se muele hasta convertirla en un polvo fino. Este producto resultante es el cemento Pórtland comercial que se usa en todo el mundo.
El mezclado y el molido de las materias primas puede hacerse con agua o en seco, de ahí provienen los nombres de proceso húmedo y proceso seco. Una vez molidas las materias primas, la mezcla se coloca en un horno rotatorio, que puede ser (en el proceso húmedo) hasta de 7 m de diámetro y 230 m de largo. El horno, ligeramente inclinado, recibe la mezcla por el extremo superior, mientras se introduce carbón pulverizado (u otra fuente de calor) mediante una inyección de aire, por el extremo inferior del horno, donde la temperatura puede alcanzar 1500 ºC. El carbón necesario para elaborar una tonelada de cemento es de 100 a 350 Kg. lo cual depende del proceso empleado. La masa se funde en bolas de 3 a 25 mm de diámetro, conocidas como clinker.
Horno Rotatorio:
A: Secado : se elimina humedad
B: Descarbonatación : se libera CO2
CaCO3 + Calor ===> CaO+ CO2
C: Se forma : C2S, C3A, C4AF
D: Fusión parcial : C2S + C -> C3S
E: Enfriamiento : Rápido para que no se revierta el C3S a C2S
Un horno sencillo de diseño moderno (empleando el proceso seco) puede producir hasta 6200 toneladas de clinker al día. Para entender lo que es esta cantidad, podemos decir que la producción anual de cemento en 1984 fue de 70 millones de toneladas en Estados Unidos y de 13.5 en el Reino Unido. Al mostrar el consumo de cemento (que no es igual a la producción, debido a las importaciones y exportaciones) en otros términos, la cantidad de cemento per cápita al año fue de 325 Kg en Estados Unidos de América y de 244 Kg en el Reino Unido; el consumo más elevado en un país grande industrializado fue de 678 Kg. en Italia. Otra cifra interesante es el consumo de aproximadamente 2000 kg per cápita en Arabia Saudita, Qatar y los Emiratos Árabes Unidos. El consumo de Chile el año 1999 fue de 207 kg.
Cemento Pórtland
Es producto obtenido por la pulverización de clinker (Calizas (Carbonato de CaCO3) más Arcillas (Sílice) y más yeso (Sulfato de calcio CaSO4)
Tipos de cemento
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
Química básica del cemento:
De la tabla siguiente puede obtenerse una idea general de la composición del cemento, y los límites de composición de óxido de los cementos Pórtland.
Componentes principales
Notación
Origen
Proporción(%)
Características principales
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
SiO2 (sílice)
S
arcillas
17-25
· por combinación con la cal produce compuestos más importantes del cemento
Al2O3(alúmina)
A
arcillas
3-8
· fundante
· acelera fraguado cemento
· reduce resistencia a los sulfatos
Fe2O3 (óxido de fierro)
F
arcillas
0.5-6
· fundante + enérgico
· junto con alúmina facilita
· producción comercial de cemento con alto % de cal sin tener cal libre
SO3(sulfatos)
yeso
≤ 3
· retarda fraguado del C3A
· en exceso produce sulfoaluminato que perjudica estabilidad de volumen
MgO(magnesio)
caliza o arcilla
0.1-6
· en grandes cantidades actúa como expansivo
K2O y Na2O (alcalis)
0.5-1.3
· fundente
· provee alcalinidad al hormigón
· acelerador fraguado
· reacción
residuo insoluble
impurezas y yeso
0.5
· medida adulteración cemento
pérdidas al fuego
2
· medida carbonatación e hidratación de cal y magnesio libre por exposición atmosférica
TiO2, MnO3, P2O5, H2O
H
Composición Potencial del cemento.
Nombre compuesto
Composición óxido
Abreviatura
%
Evolución calor hidratación y endurecimiento
Resistencia
Silicato Tricálcico
3CaO-SiO2
C3S
42-60
rápido
mediano plazo (primeras 4 semanas)
Silicato Bicálcico
2CaO-SiO2
C2S
14-35
lento
largo plazo (4 semanas. )
Aluminato Tricálcico (*)
3CaO-Al2O3
C3A
6-13
muy rápido
Corto plazo (1-3 días)
Ferro Aluminato Tetracálcico
4CaO-Al2O3-Fe2O3
C4AF
5-10
muy lento
Largo plazo (primeros meses)
* Sensible a ataques de sulfatos
+ Otros como ser (MgO, CaO, Na2O, K2O, etc.)
Los silicatos, C3S y C2S son los componentes más importantes y los causantes de la resistencia de la pasta hidratada de cemento. El primero toma resistencia en las primeras cuatro semanas, y el segundo después de la cuarta. En realidad, los silicatos en el cemento no son componentes puros, sino que contienen óxidos menores en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos significativos en los ordenamientos atómicos, en la forma de los cristales y en las propiedades hidráulicas de los silicatos.
La presencia de C3A en el cemento no es deseable, ya que contribuye poco o nada a la resistencia del mismo, excepto en las primeras etapas; y es atacado por sulfatos. La formación de sulfoaluminato de calcio (estringita) puede causar resquebrajamientos por aumentos de volumen. Sin embargo, el C3A es benéfico durante la elaboración del cemento, porque favorece la combinación de cal y sílice.
El C4AF también está presente, en pequeñas cantidades, en el cemento y, en comparación con los otros tres componentes, no influye significativamente en su comportamiento; sin embargo, reacciona con el yeso para formar sulfoferrita de calcio y su presencia puede acelerar la hidratación de los silicatos.
La cantidad de yeso añadida al clinker es esencial y dependerá del contenido de C3A y del álcali del cemento. El incremento en la finura del cemento aumenta la cantidad de C3A disponible en las primeras etapas, así como los requerimientos de yeso; no obstante, el exceso de yeso lleva a la expansión. El contenido óptimo de yeso se determina con base en la generación de calor de hidratación para que se dé una tasa conveniente de reacción temprana adecuada, que asegure pocas cantidades de C3A disponible para reaccionar después de que todo el yeso se haya combinado.
Además de los componentes principales enumerados en la tabla anterior, hay componentes menores como MgO, TiO2, Mn2O3, K20 y Na2O; que por lo general no representan más que un pequeño porcentaje de la masa de cemento. De estos componentes menores, dos son de interés: los óxidos de sodio y potasio, Na2O y K20 conocidos como los álcalis (aunque también hay otros álcalis en el cemento). Se sabe que reaccionan con algunos agregados, conocida como la reacción álcali-agregado, lo cual causa desintegración del hormigón. Ayudan a generar alcalinidad y evitar la corrosión de la armadura en el hormigón. También se ha observado que afectan el índice de incremento de la resistencia del cemento. Por tanto cabe destacar que el término "componentes menores" se refiere a su cantidad y no necesariamente a su importancia.
Resumen de los componentes activos del cemento
C4AF: Color gris oscuro. No debe existir en cemento blanco. Reacciona rápido con agua, pero no produce ni mucho calor ni resistencia.
C3A: Reacciona muy rápido con agua, liberando mucho calor y fraguando muy rápido. Debe ser retardado agregando yeso, que forma un sulfo-aluminato. Contribuye a resistencia a muy temprana edad, pero poco a la resistencia final.
Reacciona con sulfatos una vez endurecido, produciendo expansión y daño al hormigón. Cementos resistentes a sulfatos tienen poco C3A, lo que se logra añadiendo óxido férrico transformándolo en C4AF.
C3S: Reacciona rápido con agua, liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH). Tiene gran resistencia y es el principal componente de resistencia a temprana edad. Cementos de bajo calor de hidratación deben tener bajo contenido de C3S.
C2S: Reacciona lento con agua para formar los mismos componentes que el C3S (CSH). Por su reacción lenta el calor se disipa. Contribuye a resistencia a larga edad.
Finura: Debido a que la reacción con el agua es de superficie, aumentando la finura, se aumenta la superficie y se acelera la reacción. El calor también se desprende más rápidamente.
Temperatura: Más alta acelera la reacción.
Hidratación del cemento
En la práctica, el material de mayor interés es la pasta de cemento, la cual es el producto de la reacción de cemento con agua. En presencia de agua, los silicatos y aluminatos del cemento Pórtland forman productos de hidratación o hidratos, que resultan en una masa firme y dura: la pasta endurecida de cemento. Como ya se estableció anteriormente los dos silicatos de calcio (C3S Y C2S) son los principales compuestos aglutinantes en el cemento, de los cuales el primero se hidrata más rápidamente que el segundo.
El producto de la hidratación del C3S es el hidrato microcristalino C3S2H3, generando hidróxido de calcio, Ca(OH)2 cristalino. El C2S se comporta de manera similar, pero genera menos Ca(OH)2. Los hidratos de silicato de calcio se describen como C-S-H (los que se referían previamente como gel tobermorita).
A continuación se muestran las principales transformaciones de los compuestos del cemento Portland.
Compuestos anhidros + H2O -> comp. hidratados + calor ===>sólido
(Solubles) (No solubles)
Teoría cristaloidal de Le Chatelier
· solución en agua de los compuestos anhidros
· reacción para formar compuestos hidratados
· precipitación de los componentes hidratados
· formación cristales pequeños alargados, entreverados entre sí
· desarrollo de fuerzas de adherencia entre cristales
Teoría coloidal de Michaelis
· Solución en agua de los compuestos del cemento
· precipitación de algunos compuestos en forma cristalina
· generación solución sobresaturada en cal
· solución actúa sobre los silicatos y por proceso electroquímico produce un silicato monocálcico hidratado poco soluble (CSH = tobermorita) o geles blandos impermeables superficialmente
Muestra gel de cemento.
Fases Sólidas en la Pasta de Cemento Hidratada:
1) C-S-H: -Silicatos de calcio hidratados.
· 50-60% del volumen de sólidos.
· Mayor fuente de resistencia
· Estructura amorfa
2) Ca(OH)2: -Hidróxido de calcio.
· 20-25% del volumen de sólidos.
· Forma grandes cristales hexagonales.
· Influencia en la resistencia es limitada.
· Mayor solubilidad que CSH, desmejora la durabilidad.
3) C6AS3H32: -Sulfoaluminatos de calcio. (etringita)
· 15-20% del volumen de sólidos.
· Tienen forma de agujas hexagonales.
· Contribuye a la resistencia inicial, de las primeras horas.
· Vulnerable a los ataques químicos.
Reacciones químicas de la hidratación
* Para C3S
2C3S + 6H à C3S2H3 + 3Ca (OH)2
CSH + 3CH
Silicato de hidróxido de
Calcio hidratado calcio (soluble)
Tobermorita (gel) (alcalinidad)
* Para C2S
2C2C + 4H à C3S2H3 + Ca (OH)2
CSH + CH
* Para C3A
C3A + H à fraguado => usar yeso
Relámpago
C3A + 26H + 3CS à C6AS3H32 etringita
(Sulfoaluminato de calcio insoluble)
C3A +10H + CS à C4ASH12 (forma meta estable)
C3A + 6H à C3AH6 aluminato tricálcico hidratado
* Para C4AF
C4AF+ 2Ca(OH)2 + 10H à C3AH6 + C3FH6 à C6AFH12
Alcalinidad del = álcalis del cemento y Ca(OH)2
Hormigón (K2O + Na2O) y (CH)
Representación esquemática de la formación e hidratación del cemento Pórtland
Calor de hidratación y resistencia
Como muchas reacciones químicas, la hidratación de los compuestos del cemento es exotérmica, y la cantidad de calor (en joules) por gramo de cemento no hidratado, desarrollada hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de
hidratación.
El calor de hidratación depende de la composición química del cemento, y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los componentes individuales puros, cuando sus proporciones respectivas en la masa se hidratan por separado. Los valores típicos aparecen en la siguiente tabla.
Así, al disminuir las proporciones de C3A y C3S, el calor de hidratación del cemento (y su índice de incremento) se reducirá. La finura del cemento afecta el índice de incremento de calor, pero no la cantidad total de calor liberada, que puede ser controlada por la cantidad de cemento (riqueza) en la mezcla del hormigón. A mayor finura, mayor será la rapidez de la hidratación y de la liberación de calor.
AC3
207 cal/gr.
SC3
120 cal/gr
FAC4
100 cal/gr
SC2
62 cal/gr.
Tabla: Calor de hidratación de los compuestos puros.
Puede observarse que no hay relación entre el calor de hidratación y las propiedades aglutinadoras de los componentes individuales. Como hemos visto, los dos principales encargados de la resistencia del cemento hidratado son el C3S y el C2S, y hay una regla que establece que el C3S contribuye más al desarrollo de la resistencia durante las primeras cuatro semanas, mientras que el C2S influye en el incremento posterior de la resistencia. Al cabo de aproximadamente un año, los dos componentes, masa por masa, contribuyen en forma aproximadamente igual a la resistencia del cemento hidratado. En la figura que sigue se muestra el desarrollo de la resistencia de los cuatro componentes puros del cemento. Sin embargo, en contraste con la posibilidad de predecir el calor de hidratación del cemento a partir de sus componentes constitutivos, no ha sido posible predecir la resistencia del cemento hidratado con base en su composición.
Desarrollo de la resistencia de componentes puros (Bogue, R. H., Chemistry of Pórtland Cement, Reinhold, Nueva York, 1955).
Componentes peligrosos
· Cal CaO se limitan porque producen expansiones
· Magnesia MgO
13.2 Propiedades y ensayos del cemento.
La comprensión del significado de algunas de estas propiedades físicas es útil para interpretar los resultados de las pruebas que se efectúan al cemento. En general, las pruebas de las propiedades físicas del cemento deben ser utilizadas exclusivamente para evaluar las propiedades del cemento más que para el concreto.
Ensayos del Cemento
En el polvo:
· densidades (real)
· finura
· composición química
En la pasta:
· agua de consistencia normal
· tiempo de fraguado
· estabilidad volumétrica
· calor de hidratación
· poder de retención de agua
En el mortero:
· compresión
· flexotracción
· Deformaciones y cambios volumétricos
Finura
La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430). Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.
Inalterabilidad
La sanidad se refiere a la capacidad de una pasta endurecida para conservar su volumen después del fraguado. La expansión destructiva retardada o falta de sanidad es provocada por un exceso en las cantidades de cal libre o de magnesia. Casi todas las especificaciones para el cemento Pórtland limitan los contenidos de magnesia (periclasa), así como la expansión registrada en la prueba de autoclave. Desde que en 1943 se adoptó la prueba de expansión en autoclave (ASTM C 151), prácticamente no han ocurrido casos de expansión anormal que puedan atribuirse a falta de sanidad.
Consistencia
La consistencia se refiere a la movilidad relativa de una pasta de cemento o mortero recién mezclado o bien a su capacidad de fluir. Durante el ensayo de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, misma que se define por una penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat, mientras se mezclan morteros para obtener ya sea una relación agua-cemento fija o para producir una cierta fluidez dentro de un rango dado.
La fluidez se determina en una mesa de fluidez tal como se describe en la norma ASTM C 230. Ambos métodos, el de consistencia normal y el de la prueba de fluidez sirven para regular los contenidos de agua de las pastas y morteros respectivamente, que serán empleados en pruebas subsecuentes. Ambos permiten comparar distintos ingredientes con la misma penetración o fluidez.
Tiempo de fraguado
Para determinar si un cemento fragua de acuerdo con los tiempos especificados en la norma ASTM C 150, se efectúan pruebas usando el aparato de Vicat (ASTM C 191) o la aguja de Gillmore. El fraguado inicial de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado pronto; el fraguado final tampoco debe ocurrir demasiado tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta esta desarrollando sus reacciones de hidratación de manera normal. El yeso regula el tiempo de fraguado en el cemento. También influyen sobre el tiempo de fraguado la finura del cemento, la relación agua-cemento, y los aditivos usados. Los tiempos de fraguado de los concretos no están relacionados directamente con los tiempos de fraguado de las pastas debido a la pérdida de agua en el aire (evaporación) o en los lechos y debido a las diferencias de temperatura en la obra en contraste con la temperatura controlada que existe en el laboratorio.
Falso Fraguado
El falso fraguado (Norma ASTM C 451 para el método de la pasta y norma ASTM C 359 para el método del mortero), se comprueba por una considerable pérdida de plasticidad sin que se desarrolle calor en gran abundancia poco tiempo después del mezclado. Desde el punto de vista de la colocación y del manejo, las tendencias del cemento Pórtland a provocar fraguado falso no causarán dificultades si el concreto se mezcla un mayor tiempo de lo normal o si es remezclado sin agregarle agua antes de ser transportado y colado.
Resistencia a la compresión:
La resistencia a la compresión, tal como lo especifica la norma ASTM C 150, es la obtenida a partir de pruebas en cubos de mortero estándar de 5 cm. ensayados de acuerdo a la norma ASTM C 109. Estos cubos se hacen y se curan de manera prescrita y utilizando una arena estándar. La norma chilena utiliza una probeta (vigueta) de 4*4*16 cm., que se utiliza para flexotracción y las dos partes resultantes se ensayan en compresión.
Ensayo a compresión de mortero empleando un espécimen de cemento cúbico de 5 cm. de arista.
Pérdida por calcinación
La pérdida por calcinación del cemento Pórtland se determina calentando una muestra de cemento de peso conocido a 900 ºC a 1000ºC hasta que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la pérdida en peso de la muestra. Normalmente una pérdida por calcinación elevada indica prehidratación y carbonatación, que pueden ser causadas por un almacenamiento prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la descarga. El ensaye para la pérdida por calcinación se lleva a cabo de acuerdo con la norma ASTM C 114.
Peso específico
Generalmente el peso específico del cemento Pórtland es de aproximadamente 3.15. El cemento de escoria de alto horno y los cementos Pórtland-puzolánicos pueden tener valores de pesos específicos de aproximadamente 2.90. El peso específico de un cemento no es indicador de la calidad del cemento; su uso principal se tiene en los cálculos de proporcionamiento de mezclas en volumen.
13.3 Tipos de Cemento:
Hasta ahora hemos considerado al cemento Portland como material genérico. Sin embargo, cuando los cementos con diferentes composiciones químicas se hidratan, pueden tener propiedades distintas. Es posible, por tanto, seleccionar mezclas de materias primas para la producción de varios tipos de cementos, según las propiedades requeridas. De hecho, diversos tipos de cementos Portland están disponibles comercialmente y pueden producirse cementos especiales para usos específicos. De acuerdo a la nominación ASTM de USA (no es la chilena), los tipos de cemento son los siguientes:
Desarrollo de la resistencia de concretos que contienen 335 kg. de cemento por metro cúbico hechos con cemento Portland de distintos tipos: común (tipo I), modificado (tipo II), de endurecimiento rápido (tipo III), bajo en calor (tipo IV), resistente al sulfato (tipo V).
Cemento Pórtland común (Tipo I)
Este es, el cemento más empleado en construcciones con concreto donde no hay exposición a sulfatos presentes en suelo o en agua del subsuelo. En este tipo de cemento hay que tener especial cuidado con la cantidad de cal activa dentro de él, ya que un exceso puede causar falta de solidez del cemento. A través de los años ha habido cambios en las características del cemento Pórtland común: los cementos modernos tienen mayor contenido de C3S Y mayor finura que los de hace 40 años.
Cemento Pórtland de endurecimiento rápido (Tipo III)
Es un cemento similar al tipo 1 y se rige por las mismas normas. Como lo indica su nombre, desarrolla su resistencia rápidamente, debido a su mayor contenido de C3S (hasta 70 %) y a su mayor finura, que es la que lo diferencia del de tipo I.
La razón principal para emplear el cemento tipo III es que la cimbra se vaya a mover pronto a fin de reutilizarla o donde se requiere con rapidez una resistencia suficiente para construcción ulterior. El período de fraguado de los cementos tipo III y 1 es el mismo.
Cementos Pórtland especiales de endurecimiento rápido
Estos son cementos especialmente fabricados para un endurecimiento súper rápido. La alta resistencia temprana se logra por una mayor finura (de 700 a 900 m2/kg) y un mayor contenido de yeso, pero esto no afecta la solidez en el largo plazo. Sus usos típicos son en el pretensado temprano y en reparaciones urgentes.
Un cemento de fraguado regulado se hace con una mezcla de cemento Portland y fluroaluminato de calcio, con un retardador apropiado (generalmente ácido cítrico). El periodo de fraguado (1 a 30 min.) puede controlarse en la manufactura del cemento al mezclar y quemar juntas las materias primas, mientras que el desarrollo de resistencia temprana se controla por el contenido de fluroaluminato de calcio.
Cemento Pórtland de bajo calor (Tipo IV)
Desarrollado en Estados Unidos de América para usarse en grandes e importantes represas de gravedad, tiene un bajo calor de hidratación. Debido al contenido más bajo de C3S Y C3A, hay un desarrollo de resistencia más lento que en el cemento Portland ordinario, aunque la resistencia final no es afectada. La finura no debe ser menor de 320 m2/Kg. para asegurar un índice suficiente de aumento de resistencia.
Cemento modificado (Tipo II)
En algunos casos, una resistencia temprana muy lenta constituye una desventaja. Por esta razón, en Estados Unidos se desarrolló un cemento modificado, con un índice mayor de calor desarrollado que la del tipo IV y un índice de aumento de desarrollo de resistencia similar a la del tipo I. El cemento tipo II se recomienda para estructuras en las que es deseable una baja generación de calor o en las que puede darse un ataque moderado de sulfato.
Cemento resistente al sulfato (Tipo V)
Este cemento tiene un bajo contenido de C3A para evitar el ataque de sulfato desde el exterior del concreto; de otra manera, la formación de sulfoaluminato de calcio y el yeso pueden ocasionar rotura del concreto debida al incremento de volumen de los componentes resultantes. Las sales más activas son el sulfato de magnesio y de sodio.
El sulfato ataca con mayor rapidez si la estructura se moja y se seca en forma alternativa, como en el caso de estructuras marinas expuestas a la marea o a chapoteo.
El calor desarrollado por el cemento resistente al sulfato no es mucho mayor que el del cemento de bajo calor, lo cual es una ventaja, aunque no es un cemento de uso general.
Cemento Pórtland de Alto Horno (Tipo IS)
Este cemento se elabora moliendo o mezclando juntos escoria de cemento Pórtland con escoria de alto horno granulados, que es un producto de desperdicio en la manufactura de lingotes de hierro. La escoria contiene cal, sílice y alúmina.
El cemento Pórtland de alto horno es semejante al cemento Pórtland común (tipo I), si consideramos finura, tiempos de fraguado y solidez. Sin embargo, su resistencia temprana generalmente es menor que la del cemento tipo I; las resistencias posteriores son semejantes. Sus usos típicos son en masa de concreto, debido al bajo calor de hidratación, y en construcciones marinas, por su mayor resistencia al sulfato (debida al menor contenido de C3A).
Puzolanas
La Puzolana se define como un material silicoso o, y aluminoso que en sí mismo no posee valor cementante, pero que lo tendrá en una forma dividida y fina en presencia de humedad. Reacciona a temperaturas normales y tiene reacciones químicas con la cal, por lo cual se forman compuestos con propiedades aglutinantes.
Los materiales típicos de este tipo son cenizas volcánicas (la puzolana original), pumicita, exquisitos de opalina y pedernal, tierra diatomácea calcinada, arcilla quemada y ceniza de combustible calcinada o fuel ash.
Cementos Pórtland-Puzolánicos
Por regla general, los cementos Portland-puzolánicos generan una resistencia lenta y, por tanto, requieren curado durante un periodo comparativamente largo, pero su resistencia en el largo plazo es alta. Los cementos puzolánicos suelen ser más baratos que el cemento Portland, al cual sustituyen, pero su ventaja principal radica en su hidratación lenta y, por tanto, en su bajo índice de desarrollo de calor. Los cementos producidos en Chile, que son en su gran mayoría Pórtland - puzolánicos o siderúrgicos, generan resistencias en forma similar a los Pórtland normales. Esto se consigue con mayor finura de molienda.
IMPORTANCIA DE LA DURABILIDAD DEL
CONCRETO
_ Principalmente debido a factores económicos ahora la durabilidad del concreto se está tomando más seriamente que antes. Las estimaciones para la reparación y rehabilitación de estructuras de concreto existentes llegan a billones de dólares.
_ La altas resistencia tempranas y baja permeabilidad han hecho a estas mezclas atractivas para su uso en ambientes agresivos como la exposición al agua de mar y otros este enfoque asume que cuanto más resistente es el concreto, más durable será bajo condiciones medio ambientales severas. Esta suposición necesita un examen crítico.
Durabilidad del Concreto:
Capacidad del concreto para ofrecerán comportamiento adecuado en el transcurso de la vida en servicio del elemento estructural.
¡Atención!
El concreto no sólo debe ser resistente sino durable frente a los agentes agresivos.
Durabilidad Permeabilidad Agua
FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD DEL CONCRETO ARMADO.
• Acciones Mecánicas.- Cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones.
• Acciones Físicas.- Variaciones de temperatura o de humedad, heladas, fuego, etc.
• Acciones Químicas.- Atmósferas contaminadas, aguas agresivas, agregados
reactivos, productos químicos, suelos y terrenos agresivos
• Acciones Biológicas.- Hongos bacterias, algas o musgos.
• Corrosión del Acero.- Presencia de cloruros y carbonatación.
AGENTES AGRESIVOS
-Corrosión-carbonatación
-Ataque por sulfatos
-Congelación y deshielo
-Reacción álcali-sílice
Reacción álcali- sílice
_ Esta reacción aun no se ha presentado en el Perú
_ Sin embargo existen posibilidades
_ La reacción se produce entre los álcalis del cemento y el agregado que es sílice amorfa
en presencia de humedad
_ Es una reacción lenta y compleja y que genera fuertes expansiones a largo plazo
Reacción álcali-sílice
_ Las primeras evidencias de de este fenómeno datan del año 1940 en Estados Unidos.
_ Se constató que el deterioro se producía por la formación de un gel alcalino
expansivo en la superficie de los agregados.
_ Este gel era producto de la reacción entre los álcalis solubles del cemento (Na20 y K2O) y algunos tipos de minerales presentes en los agregados (sílice amorfa
Control de la reacción álcali sílice
ADICIONES- Puzolanas, Escorias
Inhibidores de la reacción-uso del litio
Cementos de bajo contenido de álcalis
Como resistir a los agentes agresivos:
Concretos más densos
-Relaciones agua/cemento bajas entre 0.40 y 0.50
-Altos contenidos de cemento
-Cementos con características especiales
-Cementos de bajo contenido de álcalis
En nuestro país debemos referirnos básicamente a tres fenómenos.
- Corrosión-Carbonatación
- Ataque por sulfatos
- Congelación y deshielo
- Consideraremos también el ataque por agua de mar, que consiste en la combinación de
ataques por cloruros y sulfatos, además de otros factores
CORROSIÓN
Ataque por cloruros Carbonatación
La Corrosión constituye en la actualidad el principal fenómeno que afecta la durabilidad de las estructuras de concreto.
Falta de acceso (visual) al acero no permite la detección temprana
Factores Desencadenantes
Concreto
- Permeabilidad
- Recubrimiento
- Fisuras
Acero
- Tensiones mecánicas
- Cuplas bimetálicas
Ambiente
- Humedad
Hidróxido de Carbono
Proceso de corrosión electroquímico
Corrosión por carbonatación
Portlandita + CO2 -- Carbonato de Calcio
Se reduce la alcalinidad del concreto y por tanto la protección al acero de refuerzo.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
PH=8 A PH=13 solución de fenoltaleina
Corrosión por cloruros – ambiente marino
Ion cloruro presente en el agua o niebla marina actúa como catalizador de la oxidación.
Cloruro Férrico Hidróxido de Fierro.
( FeCl3)- Fe(OH)2
2Fe + 6Cl- = 2(FeCl3)- + 4e-
(FeCl)- + 2(OH) - = Fe(OH)2+ 3Cl
Concentración de cloruros –umbral de cloruros
_ Cloruros totales
_ Cloruros libres
_ Depende :
_ Temperatura y humedad
_ Aluminato tricálcico
_ Agua
_ Fuente de cloruro
Para evitar la corrosión
• Cemento apropiado
• Baja permeabilidad
• Recubrimiento del acero
• Inhibidores de corrosión
Ataque por sulfatos
El ion sulfato aparece en variadas concentraciones en las aguas libres subterráneas.
Suelos arcillosos - alta concentración
Ataque por sulfatos Expansión Desintegración
Proceso
_ Ion Sulfato + Hidróxido de Calcio = Sulfato de Calcio
_ Aluminato Tricálcico= Sulfoaluminato de Calcio Hidratado
_ ETRINGITA
_ Expansión total 200%
Condiciones que afectan el ataque por sulfatos
Externas
-Condiciones de Exposición
-Cantidad de agua disponible
Internas
-Permeabilidad del Concreto
-Dimensiones del elemento
Nuevas investigaciones
_Recientes estudios parecen demostrar que el principal motivo de deterioro del concreto por sulfatos no es el tradicional sino el proceso de cristalización y expansión de sales.
Acción química mas que física
_ Según un estudio realizado en USA durante 16 años .Kumar Mehta opina en el mismo sentido, al decir que el ataque sólo por sulfatos en estructuras de concreto es raro si no intervienen la permeabilidad, la humedad y los cambios climáticos (Laboratorio).
Características del concreto
Selección del Cemento: Adicionado
Tipo II
Tipo V
Relación agua / cemento baja
Altos contenidos de cemento
Compacidad de la mezcla
Buen curado
El ataque por agua de mar
El agua de mar ataca al concreto de diferentes formas:
Por cloruros
Por sulfatos
Por el oleaje
Por las mareas
Por microorganismos
El agua de mar ataca al concreto básicamente por cloruros que por sulfatos a pesar de tener altas concentraciones de estos últimos, debido a la acción de los cloruros. Para resistir al ataque de cloruros nos conviene un cemento con alto aluminato tricálcico ya que este fija cloruros y por tanto atenúa sus efectos pero por otro lado el C3A se combina con los iones sulfato para formar la dañina etringita .En resumen lo ideal es un cemento con un valor medio de C3A de aproximadamente 10%
Congelación y deshielo
_ El concreto sujeto a ciclos de congelación y deshielo puede sufrir graves daños si no se toman las debidas precauciones.
AIRE INCORPORADO Y DENSIDAD
Relación a/c =0.5
Proceso de acción
Debido a que al congelarse el agua en los poros de la pasta aumenta su volumen ejerciendo fuertes presiones. El aire incorporado da impermeabilidad al concreto al romper las conexiones entre capilares y aliviar la presión causada por el congelamiento del agua libre .Es importante destacar que el aire incorporado mejora la trabajabilidad de las mezclas.
Agregados
Es importante el contar con agregados de buena calidad para que soporten el fenómeno de congelación y deshielo. Ensayo de inalterabilidad a sulfatos de sodio o Magnesio
Extraño caso
_ Extraño caso en un tarrajeo en una residencia de Máncora.
_ Uso de cal artesanal en el mortero, cal que no fue bien apagada.
ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO
ABASTECIMIENTO DE CEMENTO
Mezclado del concreto
• El amasado del concreto permite asegurar la mezcla de diferentes componentes de la
forma más homogénea posible.
• El tiempo de mezclado se empieza a contar, después de haber ingresado todos los
insumos.
• En mixer, el tiempo de mezclado, es el tiempo necesario para alcanzar entre 70 y
100 RPM
Homogeneidad en la mezcla del concreto
• Producir y entregar concretos con propiedades constantes, con dispersiones mínimas
en sus propiedades, es una tarea de primer orden para todo Productor de Concreto
Premezclado
El Concreto Compactado con Rodillo (CCR) ¡importante desarrollo en la tecnología de presas en los últimos años, ganando aceptación alrededor del mundo en un relativo corto tiempo debido a su bajo costo, el cual es derivado en parte por su rápido modo de construcción, a su bajo contenido de cemento y su condición de asentamiento nulo.
En nuestro país la aplicación de esta teoría es mínima, por tal motivo, la presente investigación se ha desarrollado con el objeto de dar a conocer con más amplitud la tecnología y diseño de mezclas CCR para presas, aplicando conceptos conocidos por ingenieros geotécnicos, adaptándolos a esta metodología, lo que permitirá que en el Perú se pueda desarrollar esta técnica al igual que otros países.
CONCEPTO El Concreto Compactado con Rodillo se define como una mezcla de cemento y agregados seleccionados, con un contenido de aguas suficientemente reducido para permitir su compactación con rodillo.
.
Aplicaciones
Puede ser considerado para trabajos en grandes rellenos, pavimentos, fundaciones masivas, bases de losas, ataguías, reparaciones de emergencia y protección superficial para presas y terraplenes. Pero donde mayor uso se le ha dado es en la construcción de presas, en lugar del concreto colocado convencionalmente .La técnica de construcción con CCR ha hecho que las presas de CCR sean una alternativa económica y competitiva frente alas presas convencionales de concreto y las presas de tierra .
APLLIICACIIONES
El cemento y la resistencia del concreto
Puzolanas
Los materiales puzolánicos, no endurecen cuando se amasan con agua, pero finamente molidos, reaccionan en presencia del agua, con el hidróxido de calcio [Ca(OH)2] y forman compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio, capaces de desarrollar resistencias. Las puzolanas constan esencialmente de SiO2, reactivo y Al2O3, además Fe2O3 y otros óxidos. El contenido de SiO2 reactivo mayor del 25% en masa
Filler Calizo
Los filleres son materiales minerales seleccionados, según su distribución granulométrica, mejoran las propiedades físicas del cemento. Las calizas que se emplean como filler para su inclusión en el cemento deben de encontrarse en una proporción de CaCO3 75% en masa y estar libres de contaminación de materia orgánica o arcilla.
Microsílice
Sub-producto de la industria del ferrosilicio .Microesferas de sílice amorfa, con 90% a 96% de SiO2, Diámetro promedio del orden de 0,1 micrones, densidad de 2,0 g/cm3.
Resultado de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón, en hornos eléctricos durante la producción ferrosilicio. El humo de sílice asciende como vapor oxidado de los hornos a 2000 ºC. Cuando se enfría, el humo de sílice se condensa y se recoge en colectores de polvo orgánica o arcilla.
Los aditivos súper plastificantes son polímeros de muy alto peso molecular que actúan al ser absorbidos en la superficie de las partículas de cemento, eliminando la aglomeración y la fricción entre ellas, de manera de reducir el requerimiento de agua de mezcla .Los cementos adicionados se comportan como un fluido trioxópico no newtoniano, es decir, fluyen cuando se aplica una fuerza y dejan de fluir cuando esta cesa.
La primera generación de aditivos tuvieron como base a los lign o sulfatos, provenientes de la industria maderera, limitados en su porcentaje de incorporación, obteniéndose reducciones de agua del 10%.Los aditivos de segunda generación, desarrollados en la década de 1970, permitían producir concreto de relación a/c de 0.30, con una reducción del agua del orden del20%.
_- Condensados de formaldehído-melamina sulfonato
(SMF).
_- Condensados de formaldehído naftaleno sulfonatoLa nueva generación de aditivos químicos, debido a los nuevos materiales: policarboxilatos o éter depolicarboxílico, productos de síntesis, diferentes partes del polímero de cadena larga, controlan diversas propiedades del concreto .Presentan elevada capacidad reductora de agua y elevado desarrollo de resistencias iniciales. Además de gran poder fluidificante y mantenimiento de consistencia. (SNF).
Ferrocemento
Tipo especial de concreto reforzado compuesto de capas estrechamente espaciadas de alambre o malla continua metálica relativamente fina e insertada en el mortero.
Ferrocemento es un tipo de construcción de concreto con espesores delgados, en el cual, generalmente, el cemento hidráulico está reforzado con capas de malla continua de diámetro relativamente pequeño. La malla puede ser de material metálico o de otros materiales adecuados.
Ventajas del ferrocemento
_Materias primas de fácil obtención en cualquier lugar del país.
_El cemento, la arena y las mallas son materiales económicos al alcance de pobladores con escasos recursos.
_La construcción de ferrocemento no requiere de habilidades especiales.
_El ferrocemento es un material sumamente versátil, pudiendo fabricarse elementos de cualquier forma según la necesidad del usuario.
_La construcción en FC no requieren instalaciones pesadas, ni maquinarias.
_Las obras de FC tienen gran durabilidad y no exigen mayor mantenimiento.
Aplicaciones potenciales
_Botes de recreo;
_Depósitos para almacenar alimentos;
_Almacenamiento de simiente (hortalizas, etc.);
_Silos;
_Tanques;
_Depósitos de agua, piletas;
_Canales de aguas negras, tanques sépticos y otras facilidades de tratamiento; alcantarillado;
_Cubas para teñir;
_Secadores.
_Plataformas para secar té, café;
_Comederos y bebederos para ganado;
_Depósitos de agua potable y de irrigación;
_Cañería y conductos de irrigación;
_Planchas para techos;
_Empanelado de paredes;
_Postes para diferentes usos.
MATERIALES
Mallas
_ De alambre hexagonal, conocida como gallinero. Se fabrica con alambres que se entretejen en forma hexagonal.
_ El diámetro del alambre varia de 0.05 a 0.01 cm. y las aberturas de la malla de 1 a 2.5 cm.
Malla de alambre soldado
Está fabricada con acero resistente a la tracción. Presenta mayor rigidez. Permite fácil moldeo y curvas de líneas suaves.
Malla entretejida
Los alambres se entretejen al tamaño de la cuadrícula requerida, no requieren soldadura, hay dificultad para mantenerlas en posición y presentan ondulaciones.
Malla de metal desplegado
Constituida por una hoja delgada de metal en la cual se realizan aberturas.
Acero de Refuerzo
Se aplican en estructuras sujetas a esfuerzos importantes, como barcos, para hacer el armazón de la estructura sobre la cual se colocan las mallas.
Las varillas se distribuyen longitudinalmente y verticalmente según se requieran, generalmente distanciadas en más de 30 cm.
Cemento
Se utilizan todos los tipos de cemento normalizados:
_Cemento Pórtland, los cinco tipos, según la NTP334.009.
_Cementos Pórtland adicionados, todos los tipos, según la NTP 334.090.
_Cementos de la norma de performance, NTP334.082.
Arena
Preferentemente de acuerdo a la NTP 339.037 y optar por canteras de materiales conocidos.
Aditivos
Únicamente en obras especiales, con asesoramiento tecnológico.
Recubrimiento
Pintura y materiales de vinilo y epóxicos.
Construcción
_ Colocación de la malla de alambre en la forma adecuada.
_ Mezcla de mortero.
_ Aplicación del mortero.
_ Curado.
_ En la mayoría de las estructuras la malla de alambre es el elemento principal que brinda resistencia y rigidez estructural. En estructuras sujetas a grandes esfuerzos como barcos, las varillas de acero contribuyen a este comportamiento.
_ La cuantía de acero varía del 1 al 8%.
_ La colocación de la malla de alambre debe acomodarse en lo posible libremente y los
traslapes deben tener como mínimo 5 cm. y no exceder en demasía.
_ La malla de acero se coloca a ambos lados de las varillas, cuando éstas están proyectadas.
_ Las mallas de alambre se amarran a las varillas con alambre galvanizado de 15 a 30 cm.
_ El mortero debe tener protecciones adecuadas y en lo posible una relación agua cemento en peso de 0.45 a 0.40 y un dosaje de cemento de 340 k/m3 de mortero, para garantizar la durabilidad.
_ Las proporciones arena/cemento recomendadas varían entre 1.5 a 2.5.
_ Aplicación del mortero.
_ La aplicación del mortero es esencial en la performance de la estructura. La aplicación a mano es satisfactoria.
En muchas obras no se requiere encofrado, sin embargo en muchos casos puede utilizarse como apoyo del mortero cualquier material apropiado hasta después de colocarse. Existen dos modalidades de aplicación:
El método en una etapa se refiere a una sola aplicación monolítica del mortero para rellenar la malla de acero, dando el acabado tanto interior como exterior al mismo tiempo, antes que se inicie el fraguado del mortero de cemento.
El método en dos etapas se refiere al procedimiento de aplicar el mortero primero en un lado, presionándolo hasta que pase hasta las superficies internas del alambre central, se da el acabado al lado externo y se cura; los huecos que quedan se llenan Después desde el otro lado, y posteriormente se les da el acabado y el curado.
Curado
Los métodos de curado son los convencionales de acuerdo a las características de los elementos y lo disponible en el lugar de la construcción.
El curado puede ser en baño de agua, por aspersión, y eventualmente con membrana
impermeable.
Durabilidad
Las condiciones de durabilidad son las que corresponden al concreto reforzado en medios agresivos. Una ventaja interesante del ferrocemento es la casi nula fisuración en
razón de la malla.
Sin embargo, en estructuras de cobertura expuestas a la acción de la brisa marina hay una acción de corrosión por cloruros. Las precauciones son las mismas que en el caso
del concreto: asegurar el espesor conveniente de mortero y un dosaje apropiado de cemento y a/c.
Así mismo, con el curado debido en los primeros 14 días la protección externa y el uso de malla galvanizada puede contribuir a eliminar los problemas de corrosión.
En los casos que el elemento del ferrocemento está en contacto con suelos salitrosos o agua con presencia de sulfatos, deberá utilizarse cemento puzolánico o los tipos II o V según las condiciones de agresividad. La corrosión por carbonatación que depende de las condiciones ambientales, puede ser controlada, como en el caso anterior con un dosaje alto de cemento y una baja relación agua/cemento.
USO DE LOS ADITIVOS EN CONCRETO Y VENTAJAS EN LOS PROCESOS CONSTRUCTIVOS
REQUERIMIENTOS BÁSICOS PARA UN BUEN CONCRETO
§ Resistencia .- Para obtener la capacidad de resistir cargas estructurales.
§ Durabilidad .- Capacidad para resistir la acción del ambiente.
§ Trabajabilidad.- Medida de la facilidad con la que el concreto puede ser colocado y acabado.
§ Economía.- Los mayores beneficios con los menores costos.
Los aditivos permiten modificar las propiedades del concreto de manera prevista y controlada, a fin de cubrir los requerimientos básicos y evitar las condiciones indeseables
§ El cemento reacciona con el agua (hidratación) y forma un material adherente que al endurecerse mantendrá al resto de componentes unidos entre sí.
§ Los productos de la hidratación del cemento son los responsables de dar las propiedades físicas y químicas a la pasta de cemento y por lo tanto al concreto.
§ Los principales productos de la hidratación del cemento son :
§ Silicato tricálcico.- Define la resistencia inicial.
§ Silicato dicálcico.- Define la resistencia a largo plazo. (75 – 80%)
§ Aluminato tricálcico.- Responsable de resistencia del cemento a los sulfatos. Controla la hidratación. (4 - 11%)
§ Aluminoferrito tetracálcico.- Define la velocidad de hidratación. Responsable de las características físico-mecánicas (8 - 13%)
§ Los aditivos influyen directamente sobre estos componentes, modificando las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la pasta de cemento.
BIBLIOGRAFIA
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2. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales. William F,Smith
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6. Construction Materiales. J. Patton
7. Manual del Acero Fernando Verbal
Manual del hormigón
8. Compendio de tecnología del Hormigón Hernan Zabaleta
Introducción
La selección del material de construcción es una de las primeras y más importantes decisiones en la concepción y diseño de un proyecto.
El material con que esta hecha una estructura es el que falla, no el elemento estructural.
Para el ingeniero es importante relacionar el comportamiento químico, físico, y mecánico de cada material con la estructura interna de este, para llegar a comprender efectivamente su comportamiento y sus propiedades en general.
Los materiales de construcción son parte de la materia que se encuentra en el universo
Sustancias constitutivas de los cuerpos o partes limitadas de la materia. Substancias cuyas propiedades las hacen útiles al hombre (fabricación de productos técnicos: estructuras, máquinas, productos, etc.) Responsables del comportamiento de la mayoría de las estructuras: Materiales Estructurales.
Los materiales que se utilizan en general van variando con el tiempo, a medida que la tecnología avanza, se producen nuevos materiales con mejores características. Un ejemplo claro de esto es la introducción de los polímeros (plásticos en general).
EL CEMENTO
Cemento
Introducción:
El cemento, es una material pulverizado (polvo finísimo de color gris) de naturaleza inorgánica, que mezclado con agua endurece. Se denomina conglomerante hidráulico porque endurece tanto al aire como bajo agua. Genera altas resistencias mecánicas y productos insolubles en agua.
Historia:
Antiguamente los egipcios utilizaban yeso calcinado como pegamento de las piedras:
Yeso impuro calcinado (sulfato de calcio CaSO4 x 2H2O) 4.000 A.C.
Probablemente, los antiguos romanos fueron los primeros que utilizaron el hormigón fabricado con cemento hidráulico, un material que se endurece bajo el agua, sin necesidad de carbonatarse con anhídrido carbónico del aire. Esta propiedad y otra relacionada con el hecho de no sufrir cambio químico por la acción del agua en su vida posterior, son las más importantes y las que contribuyeron a la difusión del empleo del hormigón como material de construcción. El cemento romano era una mezcla de cal con puzolana, que cayó en desuso y no fue sino hasta 1824 cuando el cemento moderno, conocido como cemento Pórtland, fue patentado por Joseph Aspdin, un constructor de Leedse, Inglaterra.
Se da el nombre de Pórtland a un cemento obtenido por la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales asociados con sílice, alúmina y óxido de hierro, que son calentados a temperaturas de fusión parcial o clinkerización, para posteriormente moler el producto resultante o clinker
Existen cementos hidráulicos de diferentes tipos: puzolánicos, siderúrgico, resistentes a sulfatos, expansivos, etc.
Funciones del cemento en el hormigón:
-Llenar huecos entre partículas del árido aglomerándolas .ayuda a lubricar y a dar cohesión as la mezcla del hormigón en estado fresco
-Proporciona resistencia al hormigón endurecido, dependiendo de: razón w/c ,tipo de cemento ,condiciones de curado
-Da impermeabilidad al hormigón endurecido al taponar los huecos entre los granos del árido.
Esquema del efecto de la razón agua /cemento en la resistencia e impermeabilidad del hormigón
Se puede apreciar como la resistencia y la impermeabilidad van aumentando a medida que se hidrata el cemento, además se aprecia la importancia de la razón agua cemento y el curado en estas propiedades.
Elaboración del cemento Pórtland
De acuerdo con la definición de cemento Pórtland está hecho básicamente de la combinación de un material calcáreo, piedra caliza y una base de sílice y alúmina, como arcilla o esquisto, y yeso. El proceso de fabricación consiste esencialmente en moler las materias primas hasta lograr un polvo muy fino, mezclarlas perfectamente en proporciones establecidas y quemarlas en un gran horno rotatorio a una temperatura de aproximadamente 1400 ºC. El material se funde parcialmente hasta convertirse en clínker. Cuando el clínker se enfría, se le agrega yeso y se muele hasta convertirla en un polvo fino. Este producto resultante es el cemento Pórtland comercial que se usa en todo el mundo.
El mezclado y el molido de las materias primas puede hacerse con agua o en seco, de ahí provienen los nombres de proceso húmedo y proceso seco. Una vez molidas las materias primas, la mezcla se coloca en un horno rotatorio, que puede ser (en el proceso húmedo) hasta de 7 m de diámetro y 230 m de largo. El horno, ligeramente inclinado, recibe la mezcla por el extremo superior, mientras se introduce carbón pulverizado (u otra fuente de calor) mediante una inyección de aire, por el extremo inferior del horno, donde la temperatura puede alcanzar 1500 ºC. El carbón necesario para elaborar una tonelada de cemento es de 100 a 350 Kg. lo cual depende del proceso empleado. La masa se funde en bolas de 3 a 25 mm de diámetro, conocidas como clinker.
Horno Rotatorio:
A: Secado : se elimina humedad
B: Descarbonatación : se libera CO2
CaCO3 + Calor ===> CaO+ CO2
C: Se forma : C2S, C3A, C4AF
D: Fusión parcial : C2S + C -> C3S
E: Enfriamiento : Rápido para que no se revierta el C3S a C2S
Un horno sencillo de diseño moderno (empleando el proceso seco) puede producir hasta 6200 toneladas de clinker al día. Para entender lo que es esta cantidad, podemos decir que la producción anual de cemento en 1984 fue de 70 millones de toneladas en Estados Unidos y de 13.5 en el Reino Unido. Al mostrar el consumo de cemento (que no es igual a la producción, debido a las importaciones y exportaciones) en otros términos, la cantidad de cemento per cápita al año fue de 325 Kg en Estados Unidos de América y de 244 Kg en el Reino Unido; el consumo más elevado en un país grande industrializado fue de 678 Kg. en Italia. Otra cifra interesante es el consumo de aproximadamente 2000 kg per cápita en Arabia Saudita, Qatar y los Emiratos Árabes Unidos. El consumo de Chile el año 1999 fue de 207 kg.
Cemento Pórtland
Es producto obtenido por la pulverización de clinker (Calizas (Carbonato de CaCO3) más Arcillas (Sílice) y más yeso (Sulfato de calcio CaSO4)
Tipos de cemento
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
Química básica del cemento:
De la tabla siguiente puede obtenerse una idea general de la composición del cemento, y los límites de composición de óxido de los cementos Pórtland.
Componentes principales
Notación
Origen
Proporción(%)
Características principales
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
SiO2 (sílice)
S
arcillas
17-25
· por combinación con la cal produce compuestos más importantes del cemento
Al2O3(alúmina)
A
arcillas
3-8
· fundante
· acelera fraguado cemento
· reduce resistencia a los sulfatos
Fe2O3 (óxido de fierro)
F
arcillas
0.5-6
· fundante + enérgico
· junto con alúmina facilita
· producción comercial de cemento con alto % de cal sin tener cal libre
SO3(sulfatos)
yeso
≤ 3
· retarda fraguado del C3A
· en exceso produce sulfoaluminato que perjudica estabilidad de volumen
MgO(magnesio)
caliza o arcilla
0.1-6
· en grandes cantidades actúa como expansivo
K2O y Na2O (alcalis)
0.5-1.3
· fundente
· provee alcalinidad al hormigón
· acelerador fraguado
· reacción
residuo insoluble
impurezas y yeso
0.5
· medida adulteración cemento
pérdidas al fuego
2
· medida carbonatación e hidratación de cal y magnesio libre por exposición atmosférica
TiO2, MnO3, P2O5, H2O
H
Composición Potencial del cemento.
Nombre compuesto
Composición óxido
Abreviatura
%
Evolución calor hidratación y endurecimiento
Resistencia
Silicato Tricálcico
3CaO-SiO2
C3S
42-60
rápido
mediano plazo (primeras 4 semanas)
Silicato Bicálcico
2CaO-SiO2
C2S
14-35
lento
largo plazo (4 semanas. )
Aluminato Tricálcico (*)
3CaO-Al2O3
C3A
6-13
muy rápido
Corto plazo (1-3 días)
Ferro Aluminato Tetracálcico
4CaO-Al2O3-Fe2O3
C4AF
5-10
muy lento
Largo plazo (primeros meses)
* Sensible a ataques de sulfatos
+ Otros como ser (MgO, CaO, Na2O, K2O, etc.)
Los silicatos, C3S y C2S son los componentes más importantes y los causantes de la resistencia de la pasta hidratada de cemento. El primero toma resistencia en las primeras cuatro semanas, y el segundo después de la cuarta. En realidad, los silicatos en el cemento no son componentes puros, sino que contienen óxidos menores en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos significativos en los ordenamientos atómicos, en la forma de los cristales y en las propiedades hidráulicas de los silicatos.
La presencia de C3A en el cemento no es deseable, ya que contribuye poco o nada a la resistencia del mismo, excepto en las primeras etapas; y es atacado por sulfatos. La formación de sulfoaluminato de calcio (estringita) puede causar resquebrajamientos por aumentos de volumen. Sin embargo, el C3A es benéfico durante la elaboración del cemento, porque favorece la combinación de cal y sílice.
El C4AF también está presente, en pequeñas cantidades, en el cemento y, en comparación con los otros tres componentes, no influye significativamente en su comportamiento; sin embargo, reacciona con el yeso para formar sulfoferrita de calcio y su presencia puede acelerar la hidratación de los silicatos.
La cantidad de yeso añadida al clinker es esencial y dependerá del contenido de C3A y del álcali del cemento. El incremento en la finura del cemento aumenta la cantidad de C3A disponible en las primeras etapas, así como los requerimientos de yeso; no obstante, el exceso de yeso lleva a la expansión. El contenido óptimo de yeso se determina con base en la generación de calor de hidratación para que se dé una tasa conveniente de reacción temprana adecuada, que asegure pocas cantidades de C3A disponible para reaccionar después de que todo el yeso se haya combinado.
Además de los componentes principales enumerados en la tabla anterior, hay componentes menores como MgO, TiO2, Mn2O3, K20 y Na2O; que por lo general no representan más que un pequeño porcentaje de la masa de cemento. De estos componentes menores, dos son de interés: los óxidos de sodio y potasio, Na2O y K20 conocidos como los álcalis (aunque también hay otros álcalis en el cemento). Se sabe que reaccionan con algunos agregados, conocida como la reacción álcali-agregado, lo cual causa desintegración del hormigón. Ayudan a generar alcalinidad y evitar la corrosión de la armadura en el hormigón. También se ha observado que afectan el índice de incremento de la resistencia del cemento. Por tanto cabe destacar que el término "componentes menores" se refiere a su cantidad y no necesariamente a su importancia.
Resumen de los componentes activos del cemento
C4AF: Color gris oscuro. No debe existir en cemento blanco. Reacciona rápido con agua, pero no produce ni mucho calor ni resistencia.
C3A: Reacciona muy rápido con agua, liberando mucho calor y fraguando muy rápido. Debe ser retardado agregando yeso, que forma un sulfo-aluminato. Contribuye a resistencia a muy temprana edad, pero poco a la resistencia final.
Reacciona con sulfatos una vez endurecido, produciendo expansión y daño al hormigón. Cementos resistentes a sulfatos tienen poco C3A, lo que se logra añadiendo óxido férrico transformándolo en C4AF.
C3S: Reacciona rápido con agua, liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH). Tiene gran resistencia y es el principal componente de resistencia a temprana edad. Cementos de bajo calor de hidratación deben tener bajo contenido de C3S.
C2S: Reacciona lento con agua para formar los mismos componentes que el C3S (CSH). Por su reacción lenta el calor se disipa. Contribuye a resistencia a larga edad.
Finura: Debido a que la reacción con el agua es de superficie, aumentando la finura, se aumenta la superficie y se acelera la reacción. El calor también se desprende más rápidamente.
Temperatura: Más alta acelera la reacción.
Hidratación del cemento
En la práctica, el material de mayor interés es la pasta de cemento, la cual es el producto de la reacción de cemento con agua. En presencia de agua, los silicatos y aluminatos del cemento Pórtland forman productos de hidratación o hidratos, que resultan en una masa firme y dura: la pasta endurecida de cemento. Como ya se estableció anteriormente los dos silicatos de calcio (C3S Y C2S) son los principales compuestos aglutinantes en el cemento, de los cuales el primero se hidrata más rápidamente que el segundo.
El producto de la hidratación del C3S es el hidrato microcristalino C3S2H3, generando hidróxido de calcio, Ca(OH)2 cristalino. El C2S se comporta de manera similar, pero genera menos Ca(OH)2. Los hidratos de silicato de calcio se describen como C-S-H (los que se referían previamente como gel tobermorita).
A continuación se muestran las principales transformaciones de los compuestos del cemento Portland.
Compuestos anhidros + H2O -> comp. hidratados + calor ===>sólido
(Solubles) (No solubles)
Teoría cristaloidal de Le Chatelier
· solución en agua de los compuestos anhidros
· reacción para formar compuestos hidratados
· precipitación de los componentes hidratados
· formación cristales pequeños alargados, entreverados entre sí
· desarrollo de fuerzas de adherencia entre cristales
Teoría coloidal de Michaelis
· Solución en agua de los compuestos del cemento
· precipitación de algunos compuestos en forma cristalina
· generación solución sobresaturada en cal
· solución actúa sobre los silicatos y por proceso electroquímico produce un silicato monocálcico hidratado poco soluble (CSH = tobermorita) o geles blandos impermeables superficialmente
Muestra gel de cemento.
Fases Sólidas en la Pasta de Cemento Hidratada:
1) C-S-H: -Silicatos de calcio hidratados.
· 50-60% del volumen de sólidos.
· Mayor fuente de resistencia
· Estructura amorfa
2) Ca(OH)2: -Hidróxido de calcio.
· 20-25% del volumen de sólidos.
· Forma grandes cristales hexagonales.
· Influencia en la resistencia es limitada.
· Mayor solubilidad que CSH, desmejora la durabilidad.
3) C6AS3H32: -Sulfoaluminatos de calcio. (etringita)
· 15-20% del volumen de sólidos.
· Tienen forma de agujas hexagonales.
· Contribuye a la resistencia inicial, de las primeras horas.
· Vulnerable a los ataques químicos.
Reacciones químicas de la hidratación
* Para C3S
2C3S + 6H à C3S2H3 + 3Ca (OH)2
CSH + 3CH
Silicato de hidróxido de
Calcio hidratado calcio (soluble)
Tobermorita (gel) (alcalinidad)
* Para C2S
2C2C + 4H à C3S2H3 + Ca (OH)2
CSH + CH
* Para C3A
C3A + H à fraguado => usar yeso
Relámpago
C3A + 26H + 3CS à C6AS3H32 etringita
(Sulfoaluminato de calcio insoluble)
C3A +10H + CS à C4ASH12 (forma meta estable)
C3A + 6H à C3AH6 aluminato tricálcico hidratado
* Para C4AF
C4AF+ 2Ca(OH)2 + 10H à C3AH6 + C3FH6 à C6AFH12
Alcalinidad del = álcalis del cemento y Ca(OH)2
Hormigón (K2O + Na2O) y (CH)
Representación esquemática de la formación e hidratación del cemento Pórtland
Calor de hidratación y resistencia
Como muchas reacciones químicas, la hidratación de los compuestos del cemento es exotérmica, y la cantidad de calor (en joules) por gramo de cemento no hidratado, desarrollada hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de
hidratación.
El calor de hidratación depende de la composición química del cemento, y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los componentes individuales puros, cuando sus proporciones respectivas en la masa se hidratan por separado. Los valores típicos aparecen en la siguiente tabla.
Así, al disminuir las proporciones de C3A y C3S, el calor de hidratación del cemento (y su índice de incremento) se reducirá. La finura del cemento afecta el índice de incremento de calor, pero no la cantidad total de calor liberada, que puede ser controlada por la cantidad de cemento (riqueza) en la mezcla del hormigón. A mayor finura, mayor será la rapidez de la hidratación y de la liberación de calor.
AC3
207 cal/gr.
SC3
120 cal/gr
FAC4
100 cal/gr
SC2
62 cal/gr.
Tabla: Calor de hidratación de los compuestos puros.
Puede observarse que no hay relación entre el calor de hidratación y las propiedades aglutinadoras de los componentes individuales. Como hemos visto, los dos principales encargados de la resistencia del cemento hidratado son el C3S y el C2S, y hay una regla que establece que el C3S contribuye más al desarrollo de la resistencia durante las primeras cuatro semanas, mientras que el C2S influye en el incremento posterior de la resistencia. Al cabo de aproximadamente un año, los dos componentes, masa por masa, contribuyen en forma aproximadamente igual a la resistencia del cemento hidratado. En la figura que sigue se muestra el desarrollo de la resistencia de los cuatro componentes puros del cemento. Sin embargo, en contraste con la posibilidad de predecir el calor de hidratación del cemento a partir de sus componentes constitutivos, no ha sido posible predecir la resistencia del cemento hidratado con base en su composición.
Desarrollo de la resistencia de componentes puros (Bogue, R. H., Chemistry of Pórtland Cement, Reinhold, Nueva York, 1955).
Componentes peligrosos
· Cal CaO se limitan porque producen expansiones
· Magnesia MgO
13.2 Propiedades y ensayos del cemento.
La comprensión del significado de algunas de estas propiedades físicas es útil para interpretar los resultados de las pruebas que se efectúan al cemento. En general, las pruebas de las propiedades físicas del cemento deben ser utilizadas exclusivamente para evaluar las propiedades del cemento más que para el concreto.
Ensayos del Cemento
En el polvo:
· densidades (real)
· finura
· composición química
En la pasta:
· agua de consistencia normal
· tiempo de fraguado
· estabilidad volumétrica
· calor de hidratación
· poder de retención de agua
En el mortero:
· compresión
· flexotracción
· Deformaciones y cambios volumétricos
Finura
La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430). Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.
Inalterabilidad
La sanidad se refiere a la capacidad de una pasta endurecida para conservar su volumen después del fraguado. La expansión destructiva retardada o falta de sanidad es provocada por un exceso en las cantidades de cal libre o de magnesia. Casi todas las especificaciones para el cemento Pórtland limitan los contenidos de magnesia (periclasa), así como la expansión registrada en la prueba de autoclave. Desde que en 1943 se adoptó la prueba de expansión en autoclave (ASTM C 151), prácticamente no han ocurrido casos de expansión anormal que puedan atribuirse a falta de sanidad.
Consistencia
La consistencia se refiere a la movilidad relativa de una pasta de cemento o mortero recién mezclado o bien a su capacidad de fluir. Durante el ensayo de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, misma que se define por una penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat, mientras se mezclan morteros para obtener ya sea una relación agua-cemento fija o para producir una cierta fluidez dentro de un rango dado.
La fluidez se determina en una mesa de fluidez tal como se describe en la norma ASTM C 230. Ambos métodos, el de consistencia normal y el de la prueba de fluidez sirven para regular los contenidos de agua de las pastas y morteros respectivamente, que serán empleados en pruebas subsecuentes. Ambos permiten comparar distintos ingredientes con la misma penetración o fluidez.
Tiempo de fraguado
Para determinar si un cemento fragua de acuerdo con los tiempos especificados en la norma ASTM C 150, se efectúan pruebas usando el aparato de Vicat (ASTM C 191) o la aguja de Gillmore. El fraguado inicial de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado pronto; el fraguado final tampoco debe ocurrir demasiado tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta esta desarrollando sus reacciones de hidratación de manera normal. El yeso regula el tiempo de fraguado en el cemento. También influyen sobre el tiempo de fraguado la finura del cemento, la relación agua-cemento, y los aditivos usados. Los tiempos de fraguado de los concretos no están relacionados directamente con los tiempos de fraguado de las pastas debido a la pérdida de agua en el aire (evaporación) o en los lechos y debido a las diferencias de temperatura en la obra en contraste con la temperatura controlada que existe en el laboratorio.
Falso Fraguado
El falso fraguado (Norma ASTM C 451 para el método de la pasta y norma ASTM C 359 para el método del mortero), se comprueba por una considerable pérdida de plasticidad sin que se desarrolle calor en gran abundancia poco tiempo después del mezclado. Desde el punto de vista de la colocación y del manejo, las tendencias del cemento Pórtland a provocar fraguado falso no causarán dificultades si el concreto se mezcla un mayor tiempo de lo normal o si es remezclado sin agregarle agua antes de ser transportado y colado.
Resistencia a la compresión:
La resistencia a la compresión, tal como lo especifica la norma ASTM C 150, es la obtenida a partir de pruebas en cubos de mortero estándar de 5 cm. ensayados de acuerdo a la norma ASTM C 109. Estos cubos se hacen y se curan de manera prescrita y utilizando una arena estándar. La norma chilena utiliza una probeta (vigueta) de 4*4*16 cm., que se utiliza para flexotracción y las dos partes resultantes se ensayan en compresión.
Ensayo a compresión de mortero empleando un espécimen de cemento cúbico de 5 cm. de arista.
Pérdida por calcinación
La pérdida por calcinación del cemento Pórtland se determina calentando una muestra de cemento de peso conocido a 900 ºC a 1000ºC hasta que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la pérdida en peso de la muestra. Normalmente una pérdida por calcinación elevada indica prehidratación y carbonatación, que pueden ser causadas por un almacenamiento prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la descarga. El ensaye para la pérdida por calcinación se lleva a cabo de acuerdo con la norma ASTM C 114.
Peso específico
Generalmente el peso específico del cemento Pórtland es de aproximadamente 3.15. El cemento de escoria de alto horno y los cementos Pórtland-puzolánicos pueden tener valores de pesos específicos de aproximadamente 2.90. El peso específico de un cemento no es indicador de la calidad del cemento; su uso principal se tiene en los cálculos de proporcionamiento de mezclas en volumen.
13.3 Tipos de Cemento:
Hasta ahora hemos considerado al cemento Portland como material genérico. Sin embargo, cuando los cementos con diferentes composiciones químicas se hidratan, pueden tener propiedades distintas. Es posible, por tanto, seleccionar mezclas de materias primas para la producción de varios tipos de cementos, según las propiedades requeridas. De hecho, diversos tipos de cementos Portland están disponibles comercialmente y pueden producirse cementos especiales para usos específicos. De acuerdo a la nominación ASTM de USA (no es la chilena), los tipos de cemento son los siguientes:
Desarrollo de la resistencia de concretos que contienen 335 kg. de cemento por metro cúbico hechos con cemento Portland de distintos tipos: común (tipo I), modificado (tipo II), de endurecimiento rápido (tipo III), bajo en calor (tipo IV), resistente al sulfato (tipo V).
Cemento Pórtland común (Tipo I)
Este es, el cemento más empleado en construcciones con concreto donde no hay exposición a sulfatos presentes en suelo o en agua del subsuelo. En este tipo de cemento hay que tener especial cuidado con la cantidad de cal activa dentro de él, ya que un exceso puede causar falta de solidez del cemento. A través de los años ha habido cambios en las características del cemento Pórtland común: los cementos modernos tienen mayor contenido de C3S Y mayor finura que los de hace 40 años.
Cemento Pórtland de endurecimiento rápido (Tipo III)
Es un cemento similar al tipo 1 y se rige por las mismas normas. Como lo indica su nombre, desarrolla su resistencia rápidamente, debido a su mayor contenido de C3S (hasta 70 %) y a su mayor finura, que es la que lo diferencia del de tipo I.
La razón principal para emplear el cemento tipo III es que la cimbra se vaya a mover pronto a fin de reutilizarla o donde se requiere con rapidez una resistencia suficiente para construcción ulterior. El período de fraguado de los cementos tipo III y 1 es el mismo.
Cementos Pórtland especiales de endurecimiento rápido
Estos son cementos especialmente fabricados para un endurecimiento súper rápido. La alta resistencia temprana se logra por una mayor finura (de 700 a 900 m2/kg) y un mayor contenido de yeso, pero esto no afecta la solidez en el largo plazo. Sus usos típicos son en el pretensado temprano y en reparaciones urgentes.
Un cemento de fraguado regulado se hace con una mezcla de cemento Portland y fluroaluminato de calcio, con un retardador apropiado (generalmente ácido cítrico). El periodo de fraguado (1 a 30 min.) puede controlarse en la manufactura del cemento al mezclar y quemar juntas las materias primas, mientras que el desarrollo de resistencia temprana se controla por el contenido de fluroaluminato de calcio.
Cemento Pórtland de bajo calor (Tipo IV)
Desarrollado en Estados Unidos de América para usarse en grandes e importantes represas de gravedad, tiene un bajo calor de hidratación. Debido al contenido más bajo de C3S Y C3A, hay un desarrollo de resistencia más lento que en el cemento Portland ordinario, aunque la resistencia final no es afectada. La finura no debe ser menor de 320 m2/Kg. para asegurar un índice suficiente de aumento de resistencia.
Cemento modificado (Tipo II)
En algunos casos, una resistencia temprana muy lenta constituye una desventaja. Por esta razón, en Estados Unidos se desarrolló un cemento modificado, con un índice mayor de calor desarrollado que la del tipo IV y un índice de aumento de desarrollo de resistencia similar a la del tipo I. El cemento tipo II se recomienda para estructuras en las que es deseable una baja generación de calor o en las que puede darse un ataque moderado de sulfato.
Cemento resistente al sulfato (Tipo V)
Este cemento tiene un bajo contenido de C3A para evitar el ataque de sulfato desde el exterior del concreto; de otra manera, la formación de sulfoaluminato de calcio y el yeso pueden ocasionar rotura del concreto debida al incremento de volumen de los componentes resultantes. Las sales más activas son el sulfato de magnesio y de sodio.
El sulfato ataca con mayor rapidez si la estructura se moja y se seca en forma alternativa, como en el caso de estructuras marinas expuestas a la marea o a chapoteo.
El calor desarrollado por el cemento resistente al sulfato no es mucho mayor que el del cemento de bajo calor, lo cual es una ventaja, aunque no es un cemento de uso general.
Cemento Pórtland de Alto Horno (Tipo IS)
Este cemento se elabora moliendo o mezclando juntos escoria de cemento Pórtland con escoria de alto horno granulados, que es un producto de desperdicio en la manufactura de lingotes de hierro. La escoria contiene cal, sílice y alúmina.
El cemento Pórtland de alto horno es semejante al cemento Pórtland común (tipo I), si consideramos finura, tiempos de fraguado y solidez. Sin embargo, su resistencia temprana generalmente es menor que la del cemento tipo I; las resistencias posteriores son semejantes. Sus usos típicos son en masa de concreto, debido al bajo calor de hidratación, y en construcciones marinas, por su mayor resistencia al sulfato (debida al menor contenido de C3A).
Puzolanas
La Puzolana se define como un material silicoso o, y aluminoso que en sí mismo no posee valor cementante, pero que lo tendrá en una forma dividida y fina en presencia de humedad. Reacciona a temperaturas normales y tiene reacciones químicas con la cal, por lo cual se forman compuestos con propiedades aglutinantes.
Los materiales típicos de este tipo son cenizas volcánicas (la puzolana original), pumicita, exquisitos de opalina y pedernal, tierra diatomácea calcinada, arcilla quemada y ceniza de combustible calcinada o fuel ash.
Cementos Pórtland-Puzolánicos
Por regla general, los cementos Portland-puzolánicos generan una resistencia lenta y, por tanto, requieren curado durante un periodo comparativamente largo, pero su resistencia en el largo plazo es alta. Los cementos puzolánicos suelen ser más baratos que el cemento Portland, al cual sustituyen, pero su ventaja principal radica en su hidratación lenta y, por tanto, en su bajo índice de desarrollo de calor. Los cementos producidos en Chile, que son en su gran mayoría Pórtland - puzolánicos o siderúrgicos, generan resistencias en forma similar a los Pórtland normales. Esto se consigue con mayor finura de molienda.
IMPORTANCIA DE LA DURABILIDAD DEL
CONCRETO
_ Principalmente debido a factores económicos ahora la durabilidad del concreto se está tomando más seriamente que antes. Las estimaciones para la reparación y rehabilitación de estructuras de concreto existentes llegan a billones de dólares.
_ La altas resistencia tempranas y baja permeabilidad han hecho a estas mezclas atractivas para su uso en ambientes agresivos como la exposición al agua de mar y otros este enfoque asume que cuanto más resistente es el concreto, más durable será bajo condiciones medio ambientales severas. Esta suposición necesita un examen crítico.
Durabilidad del Concreto:
Capacidad del concreto para ofrecerán comportamiento adecuado en el transcurso de la vida en servicio del elemento estructural.
¡Atención!
El concreto no sólo debe ser resistente sino durable frente a los agentes agresivos.
Durabilidad Permeabilidad Agua
FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD DEL CONCRETO ARMADO.
• Acciones Mecánicas.- Cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones.
• Acciones Físicas.- Variaciones de temperatura o de humedad, heladas, fuego, etc.
• Acciones Químicas.- Atmósferas contaminadas, aguas agresivas, agregados
reactivos, productos químicos, suelos y terrenos agresivos
• Acciones Biológicas.- Hongos bacterias, algas o musgos.
• Corrosión del Acero.- Presencia de cloruros y carbonatación.
AGENTES AGRESIVOS
-Corrosión-carbonatación
-Ataque por sulfatos
-Congelación y deshielo
-Reacción álcali-sílice
Reacción álcali- sílice
_ Esta reacción aun no se ha presentado en el Perú
_ Sin embargo existen posibilidades
_ La reacción se produce entre los álcalis del cemento y el agregado que es sílice amorfa
en presencia de humedad
_ Es una reacción lenta y compleja y que genera fuertes expansiones a largo plazo
Reacción álcali-sílice
_ Las primeras evidencias de de este fenómeno datan del año 1940 en Estados Unidos.
_ Se constató que el deterioro se producía por la formación de un gel alcalino
expansivo en la superficie de los agregados.
_ Este gel era producto de la reacción entre los álcalis solubles del cemento (Na20 y K2O) y algunos tipos de minerales presentes en los agregados (sílice amorfa
Control de la reacción álcali sílice
ADICIONES- Puzolanas, Escorias
Inhibidores de la reacción-uso del litio
Cementos de bajo contenido de álcalis
Como resistir a los agentes agresivos:
Concretos más densos
-Relaciones agua/cemento bajas entre 0.40 y 0.50
-Altos contenidos de cemento
-Cementos con características especiales
-Cementos de bajo contenido de álcalis
En nuestro país debemos referirnos básicamente a tres fenómenos.
- Corrosión-Carbonatación
- Ataque por sulfatos
- Congelación y deshielo
- Consideraremos también el ataque por agua de mar, que consiste en la combinación de
ataques por cloruros y sulfatos, además de otros factores
CORROSIÓN
Ataque por cloruros Carbonatación
La Corrosión constituye en la actualidad el principal fenómeno que afecta la durabilidad de las estructuras de concreto.
Falta de acceso (visual) al acero no permite la detección temprana
Factores Desencadenantes
Concreto
- Permeabilidad
- Recubrimiento
- Fisuras
Acero
- Tensiones mecánicas
- Cuplas bimetálicas
Ambiente
- Humedad
Hidróxido de Carbono
Proceso de corrosión electroquímico
Corrosión por carbonatación
Portlandita + CO2 -- Carbonato de Calcio
Se reduce la alcalinidad del concreto y por tanto la protección al acero de refuerzo.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
PH=8 A PH=13 solución de fenoltaleina
Corrosión por cloruros – ambiente marino
Ion cloruro presente en el agua o niebla marina actúa como catalizador de la oxidación.
Cloruro Férrico Hidróxido de Fierro.
( FeCl3)- Fe(OH)2
2Fe + 6Cl- = 2(FeCl3)- + 4e-
(FeCl)- + 2(OH) - = Fe(OH)2+ 3Cl
Concentración de cloruros –umbral de cloruros
_ Cloruros totales
_ Cloruros libres
_ Depende :
_ Temperatura y humedad
_ Aluminato tricálcico
_ Agua
_ Fuente de cloruro
Para evitar la corrosión
• Cemento apropiado
• Baja permeabilidad
• Recubrimiento del acero
• Inhibidores de corrosión
Ataque por sulfatos
El ion sulfato aparece en variadas concentraciones en las aguas libres subterráneas.
Suelos arcillosos - alta concentración
Ataque por sulfatos Expansión Desintegración
Proceso
_ Ion Sulfato + Hidróxido de Calcio = Sulfato de Calcio
_ Aluminato Tricálcico= Sulfoaluminato de Calcio Hidratado
_ ETRINGITA
_ Expansión total 200%
Condiciones que afectan el ataque por sulfatos
Externas
-Condiciones de Exposición
-Cantidad de agua disponible
Internas
-Permeabilidad del Concreto
-Dimensiones del elemento
Nuevas investigaciones
_Recientes estudios parecen demostrar que el principal motivo de deterioro del concreto por sulfatos no es el tradicional sino el proceso de cristalización y expansión de sales.
Acción química mas que física
_ Según un estudio realizado en USA durante 16 años .Kumar Mehta opina en el mismo sentido, al decir que el ataque sólo por sulfatos en estructuras de concreto es raro si no intervienen la permeabilidad, la humedad y los cambios climáticos (Laboratorio).
Características del concreto
Selección del Cemento: Adicionado
Tipo II
Tipo V
Relación agua / cemento baja
Altos contenidos de cemento
Compacidad de la mezcla
Buen curado
El ataque por agua de mar
El agua de mar ataca al concreto de diferentes formas:
Por cloruros
Por sulfatos
Por el oleaje
Por las mareas
Por microorganismos
El agua de mar ataca al concreto básicamente por cloruros que por sulfatos a pesar de tener altas concentraciones de estos últimos, debido a la acción de los cloruros. Para resistir al ataque de cloruros nos conviene un cemento con alto aluminato tricálcico ya que este fija cloruros y por tanto atenúa sus efectos pero por otro lado el C3A se combina con los iones sulfato para formar la dañina etringita .En resumen lo ideal es un cemento con un valor medio de C3A de aproximadamente 10%
Congelación y deshielo
_ El concreto sujeto a ciclos de congelación y deshielo puede sufrir graves daños si no se toman las debidas precauciones.
AIRE INCORPORADO Y DENSIDAD
Relación a/c =0.5
Proceso de acción
Debido a que al congelarse el agua en los poros de la pasta aumenta su volumen ejerciendo fuertes presiones. El aire incorporado da impermeabilidad al concreto al romper las conexiones entre capilares y aliviar la presión causada por el congelamiento del agua libre .Es importante destacar que el aire incorporado mejora la trabajabilidad de las mezclas.
Agregados
Es importante el contar con agregados de buena calidad para que soporten el fenómeno de congelación y deshielo. Ensayo de inalterabilidad a sulfatos de sodio o Magnesio
Extraño caso
_ Extraño caso en un tarrajeo en una residencia de Máncora.
_ Uso de cal artesanal en el mortero, cal que no fue bien apagada.
ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO
ABASTECIMIENTO DE CEMENTO
Mezclado del concreto
• El amasado del concreto permite asegurar la mezcla de diferentes componentes de la
forma más homogénea posible.
• El tiempo de mezclado se empieza a contar, después de haber ingresado todos los
insumos.
• En mixer, el tiempo de mezclado, es el tiempo necesario para alcanzar entre 70 y
100 RPM
Homogeneidad en la mezcla del concreto
• Producir y entregar concretos con propiedades constantes, con dispersiones mínimas
en sus propiedades, es una tarea de primer orden para todo Productor de Concreto
Premezclado
El Concreto Compactado con Rodillo (CCR) ¡importante desarrollo en la tecnología de presas en los últimos años, ganando aceptación alrededor del mundo en un relativo corto tiempo debido a su bajo costo, el cual es derivado en parte por su rápido modo de construcción, a su bajo contenido de cemento y su condición de asentamiento nulo.
En nuestro país la aplicación de esta teoría es mínima, por tal motivo, la presente investigación se ha desarrollado con el objeto de dar a conocer con más amplitud la tecnología y diseño de mezclas CCR para presas, aplicando conceptos conocidos por ingenieros geotécnicos, adaptándolos a esta metodología, lo que permitirá que en el Perú se pueda desarrollar esta técnica al igual que otros países.
CONCEPTO El Concreto Compactado con Rodillo se define como una mezcla de cemento y agregados seleccionados, con un contenido de aguas suficientemente reducido para permitir su compactación con rodillo.
.
Aplicaciones
Puede ser considerado para trabajos en grandes rellenos, pavimentos, fundaciones masivas, bases de losas, ataguías, reparaciones de emergencia y protección superficial para presas y terraplenes. Pero donde mayor uso se le ha dado es en la construcción de presas, en lugar del concreto colocado convencionalmente .La técnica de construcción con CCR ha hecho que las presas de CCR sean una alternativa económica y competitiva frente alas presas convencionales de concreto y las presas de tierra .
APLLIICACIIONES
El cemento y la resistencia del concreto
Puzolanas
Los materiales puzolánicos, no endurecen cuando se amasan con agua, pero finamente molidos, reaccionan en presencia del agua, con el hidróxido de calcio [Ca(OH)2] y forman compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio, capaces de desarrollar resistencias. Las puzolanas constan esencialmente de SiO2, reactivo y Al2O3, además Fe2O3 y otros óxidos. El contenido de SiO2 reactivo mayor del 25% en masa
Filler Calizo
Los filleres son materiales minerales seleccionados, según su distribución granulométrica, mejoran las propiedades físicas del cemento. Las calizas que se emplean como filler para su inclusión en el cemento deben de encontrarse en una proporción de CaCO3 75% en masa y estar libres de contaminación de materia orgánica o arcilla.
Microsílice
Sub-producto de la industria del ferrosilicio .Microesferas de sílice amorfa, con 90% a 96% de SiO2, Diámetro promedio del orden de 0,1 micrones, densidad de 2,0 g/cm3.
Resultado de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón, en hornos eléctricos durante la producción ferrosilicio. El humo de sílice asciende como vapor oxidado de los hornos a 2000 ºC. Cuando se enfría, el humo de sílice se condensa y se recoge en colectores de polvo orgánica o arcilla.
Los aditivos súper plastificantes son polímeros de muy alto peso molecular que actúan al ser absorbidos en la superficie de las partículas de cemento, eliminando la aglomeración y la fricción entre ellas, de manera de reducir el requerimiento de agua de mezcla .Los cementos adicionados se comportan como un fluido trioxópico no newtoniano, es decir, fluyen cuando se aplica una fuerza y dejan de fluir cuando esta cesa.
La primera generación de aditivos tuvieron como base a los lign o sulfatos, provenientes de la industria maderera, limitados en su porcentaje de incorporación, obteniéndose reducciones de agua del 10%.Los aditivos de segunda generación, desarrollados en la década de 1970, permitían producir concreto de relación a/c de 0.30, con una reducción del agua del orden del20%.
_- Condensados de formaldehído-melamina sulfonato
(SMF).
_- Condensados de formaldehído naftaleno sulfonatoLa nueva generación de aditivos químicos, debido a los nuevos materiales: policarboxilatos o éter depolicarboxílico, productos de síntesis, diferentes partes del polímero de cadena larga, controlan diversas propiedades del concreto .Presentan elevada capacidad reductora de agua y elevado desarrollo de resistencias iniciales. Además de gran poder fluidificante y mantenimiento de consistencia. (SNF).
Ferrocemento
Tipo especial de concreto reforzado compuesto de capas estrechamente espaciadas de alambre o malla continua metálica relativamente fina e insertada en el mortero.
Ferrocemento es un tipo de construcción de concreto con espesores delgados, en el cual, generalmente, el cemento hidráulico está reforzado con capas de malla continua de diámetro relativamente pequeño. La malla puede ser de material metálico o de otros materiales adecuados.
Ventajas del ferrocemento
_Materias primas de fácil obtención en cualquier lugar del país.
_El cemento, la arena y las mallas son materiales económicos al alcance de pobladores con escasos recursos.
_La construcción de ferrocemento no requiere de habilidades especiales.
_El ferrocemento es un material sumamente versátil, pudiendo fabricarse elementos de cualquier forma según la necesidad del usuario.
_La construcción en FC no requieren instalaciones pesadas, ni maquinarias.
_Las obras de FC tienen gran durabilidad y no exigen mayor mantenimiento.
Aplicaciones potenciales
_Botes de recreo;
_Depósitos para almacenar alimentos;
_Almacenamiento de simiente (hortalizas, etc.);
_Silos;
_Tanques;
_Depósitos de agua, piletas;
_Canales de aguas negras, tanques sépticos y otras facilidades de tratamiento; alcantarillado;
_Cubas para teñir;
_Secadores.
_Plataformas para secar té, café;
_Comederos y bebederos para ganado;
_Depósitos de agua potable y de irrigación;
_Cañería y conductos de irrigación;
_Planchas para techos;
_Empanelado de paredes;
_Postes para diferentes usos.
MATERIALES
Mallas
_ De alambre hexagonal, conocida como gallinero. Se fabrica con alambres que se entretejen en forma hexagonal.
_ El diámetro del alambre varia de 0.05 a 0.01 cm. y las aberturas de la malla de 1 a 2.5 cm.
Malla de alambre soldado
Está fabricada con acero resistente a la tracción. Presenta mayor rigidez. Permite fácil moldeo y curvas de líneas suaves.
Malla entretejida
Los alambres se entretejen al tamaño de la cuadrícula requerida, no requieren soldadura, hay dificultad para mantenerlas en posición y presentan ondulaciones.
Malla de metal desplegado
Constituida por una hoja delgada de metal en la cual se realizan aberturas.
Acero de Refuerzo
Se aplican en estructuras sujetas a esfuerzos importantes, como barcos, para hacer el armazón de la estructura sobre la cual se colocan las mallas.
Las varillas se distribuyen longitudinalmente y verticalmente según se requieran, generalmente distanciadas en más de 30 cm.
Cemento
Se utilizan todos los tipos de cemento normalizados:
_Cemento Pórtland, los cinco tipos, según la NTP334.009.
_Cementos Pórtland adicionados, todos los tipos, según la NTP 334.090.
_Cementos de la norma de performance, NTP334.082.
Arena
Preferentemente de acuerdo a la NTP 339.037 y optar por canteras de materiales conocidos.
Aditivos
Únicamente en obras especiales, con asesoramiento tecnológico.
Recubrimiento
Pintura y materiales de vinilo y epóxicos.
Construcción
_ Colocación de la malla de alambre en la forma adecuada.
_ Mezcla de mortero.
_ Aplicación del mortero.
_ Curado.
_ En la mayoría de las estructuras la malla de alambre es el elemento principal que brinda resistencia y rigidez estructural. En estructuras sujetas a grandes esfuerzos como barcos, las varillas de acero contribuyen a este comportamiento.
_ La cuantía de acero varía del 1 al 8%.
_ La colocación de la malla de alambre debe acomodarse en lo posible libremente y los
traslapes deben tener como mínimo 5 cm. y no exceder en demasía.
_ La malla de acero se coloca a ambos lados de las varillas, cuando éstas están proyectadas.
_ Las mallas de alambre se amarran a las varillas con alambre galvanizado de 15 a 30 cm.
_ El mortero debe tener protecciones adecuadas y en lo posible una relación agua cemento en peso de 0.45 a 0.40 y un dosaje de cemento de 340 k/m3 de mortero, para garantizar la durabilidad.
_ Las proporciones arena/cemento recomendadas varían entre 1.5 a 2.5.
_ Aplicación del mortero.
_ La aplicación del mortero es esencial en la performance de la estructura. La aplicación a mano es satisfactoria.
En muchas obras no se requiere encofrado, sin embargo en muchos casos puede utilizarse como apoyo del mortero cualquier material apropiado hasta después de colocarse. Existen dos modalidades de aplicación:
El método en una etapa se refiere a una sola aplicación monolítica del mortero para rellenar la malla de acero, dando el acabado tanto interior como exterior al mismo tiempo, antes que se inicie el fraguado del mortero de cemento.
El método en dos etapas se refiere al procedimiento de aplicar el mortero primero en un lado, presionándolo hasta que pase hasta las superficies internas del alambre central, se da el acabado al lado externo y se cura; los huecos que quedan se llenan Después desde el otro lado, y posteriormente se les da el acabado y el curado.
Curado
Los métodos de curado son los convencionales de acuerdo a las características de los elementos y lo disponible en el lugar de la construcción.
El curado puede ser en baño de agua, por aspersión, y eventualmente con membrana
impermeable.
Durabilidad
Las condiciones de durabilidad son las que corresponden al concreto reforzado en medios agresivos. Una ventaja interesante del ferrocemento es la casi nula fisuración en
razón de la malla.
Sin embargo, en estructuras de cobertura expuestas a la acción de la brisa marina hay una acción de corrosión por cloruros. Las precauciones son las mismas que en el caso
del concreto: asegurar el espesor conveniente de mortero y un dosaje apropiado de cemento y a/c.
Así mismo, con el curado debido en los primeros 14 días la protección externa y el uso de malla galvanizada puede contribuir a eliminar los problemas de corrosión.
En los casos que el elemento del ferrocemento está en contacto con suelos salitrosos o agua con presencia de sulfatos, deberá utilizarse cemento puzolánico o los tipos II o V según las condiciones de agresividad. La corrosión por carbonatación que depende de las condiciones ambientales, puede ser controlada, como en el caso anterior con un dosaje alto de cemento y una baja relación agua/cemento.
USO DE LOS ADITIVOS EN CONCRETO Y VENTAJAS EN LOS PROCESOS CONSTRUCTIVOS
REQUERIMIENTOS BÁSICOS PARA UN BUEN CONCRETO
§ Resistencia .- Para obtener la capacidad de resistir cargas estructurales.
§ Durabilidad .- Capacidad para resistir la acción del ambiente.
§ Trabajabilidad.- Medida de la facilidad con la que el concreto puede ser colocado y acabado.
§ Economía.- Los mayores beneficios con los menores costos.
Los aditivos permiten modificar las propiedades del concreto de manera prevista y controlada, a fin de cubrir los requerimientos básicos y evitar las condiciones indeseables
§ El cemento reacciona con el agua (hidratación) y forma un material adherente que al endurecerse mantendrá al resto de componentes unidos entre sí.
§ Los productos de la hidratación del cemento son los responsables de dar las propiedades físicas y químicas a la pasta de cemento y por lo tanto al concreto.
§ Los principales productos de la hidratación del cemento son :
§ Silicato tricálcico.- Define la resistencia inicial.
§ Silicato dicálcico.- Define la resistencia a largo plazo. (75 – 80%)
§ Aluminato tricálcico.- Responsable de resistencia del cemento a los sulfatos. Controla la hidratación. (4 - 11%)
§ Aluminoferrito tetracálcico.- Define la velocidad de hidratación. Responsable de las características físico-mecánicas (8 - 13%)
§ Los aditivos influyen directamente sobre estos componentes, modificando las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la pasta de cemento.
BIBLIOGRAFIA
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2. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales. William F,Smith
3. Materials Science Cd-Rom. John C. Russ, North Carolina State University
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5. Comportamiento Mecánico de los materiales Carlos Videla Cifuentes y L Berrios
6. Construction Materiales. J. Patton
7. Manual del Acero Fernando Verbal
Manual del hormigón
8. Compendio de tecnología del Hormigón Hernan Zabaleta
Introducción
La selección del material de construcción es una de las primeras y más importantes decisiones en la concepción y diseño de un proyecto.
El material con que esta hecha una estructura es el que falla, no el elemento estructural.
Para el ingeniero es importante relacionar el comportamiento químico, físico, y mecánico de cada material con la estructura interna de este, para llegar a comprender efectivamente su comportamiento y sus propiedades en general.
Los materiales de construcción son parte de la materia que se encuentra en el universo
Sustancias constitutivas de los cuerpos o partes limitadas de la materia. Substancias cuyas propiedades las hacen útiles al hombre (fabricación de productos técnicos: estructuras, máquinas, productos, etc.) Responsables del comportamiento de la mayoría de las estructuras: Materiales Estructurales.
Los materiales que se utilizan en general van variando con el tiempo, a medida que la tecnología avanza, se producen nuevos materiales con mejores características. Un ejemplo claro de esto es la introducción de los polímeros (plásticos en general).
EL CEMENTO
Cemento
Introducción:
El cemento, es una material pulverizado (polvo finísimo de color gris) de naturaleza inorgánica, que mezclado con agua endurece. Se denomina conglomerante hidráulico porque endurece tanto al aire como bajo agua. Genera altas resistencias mecánicas y productos insolubles en agua.
Historia:
Antiguamente los egipcios utilizaban yeso calcinado como pegamento de las piedras:
Yeso impuro calcinado (sulfato de calcio CaSO4 x 2H2O) 4.000 A.C.
Probablemente, los antiguos romanos fueron los primeros que utilizaron el hormigón fabricado con cemento hidráulico, un material que se endurece bajo el agua, sin necesidad de carbonatarse con anhídrido carbónico del aire. Esta propiedad y otra relacionada con el hecho de no sufrir cambio químico por la acción del agua en su vida posterior, son las más importantes y las que contribuyeron a la difusión del empleo del hormigón como material de construcción. El cemento romano era una mezcla de cal con puzolana, que cayó en desuso y no fue sino hasta 1824 cuando el cemento moderno, conocido como cemento Pórtland, fue patentado por Joseph Aspdin, un constructor de Leedse, Inglaterra.
Se da el nombre de Pórtland a un cemento obtenido por la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales asociados con sílice, alúmina y óxido de hierro, que son calentados a temperaturas de fusión parcial o clinkerización, para posteriormente moler el producto resultante o clinker
Existen cementos hidráulicos de diferentes tipos: puzolánicos, siderúrgico, resistentes a sulfatos, expansivos, etc.
Funciones del cemento en el hormigón:
-Llenar huecos entre partículas del árido aglomerándolas .ayuda a lubricar y a dar cohesión as la mezcla del hormigón en estado fresco
-Proporciona resistencia al hormigón endurecido, dependiendo de: razón w/c ,tipo de cemento ,condiciones de curado
-Da impermeabilidad al hormigón endurecido al taponar los huecos entre los granos del árido.
Esquema del efecto de la razón agua /cemento en la resistencia e impermeabilidad del hormigón
Se puede apreciar como la resistencia y la impermeabilidad van aumentando a medida que se hidrata el cemento, además se aprecia la importancia de la razón agua cemento y el curado en estas propiedades.
Elaboración del cemento Pórtland
De acuerdo con la definición de cemento Pórtland está hecho básicamente de la combinación de un material calcáreo, piedra caliza y una base de sílice y alúmina, como arcilla o esquisto, y yeso. El proceso de fabricación consiste esencialmente en moler las materias primas hasta lograr un polvo muy fino, mezclarlas perfectamente en proporciones establecidas y quemarlas en un gran horno rotatorio a una temperatura de aproximadamente 1400 ºC. El material se funde parcialmente hasta convertirse en clínker. Cuando el clínker se enfría, se le agrega yeso y se muele hasta convertirla en un polvo fino. Este producto resultante es el cemento Pórtland comercial que se usa en todo el mundo.
El mezclado y el molido de las materias primas puede hacerse con agua o en seco, de ahí provienen los nombres de proceso húmedo y proceso seco. Una vez molidas las materias primas, la mezcla se coloca en un horno rotatorio, que puede ser (en el proceso húmedo) hasta de 7 m de diámetro y 230 m de largo. El horno, ligeramente inclinado, recibe la mezcla por el extremo superior, mientras se introduce carbón pulverizado (u otra fuente de calor) mediante una inyección de aire, por el extremo inferior del horno, donde la temperatura puede alcanzar 1500 ºC. El carbón necesario para elaborar una tonelada de cemento es de 100 a 350 Kg. lo cual depende del proceso empleado. La masa se funde en bolas de 3 a 25 mm de diámetro, conocidas como clinker.
Horno Rotatorio:
A: Secado : se elimina humedad
B: Descarbonatación : se libera CO2
CaCO3 + Calor ===> CaO+ CO2
C: Se forma : C2S, C3A, C4AF
D: Fusión parcial : C2S + C -> C3S
E: Enfriamiento : Rápido para que no se revierta el C3S a C2S
Un horno sencillo de diseño moderno (empleando el proceso seco) puede producir hasta 6200 toneladas de clinker al día. Para entender lo que es esta cantidad, podemos decir que la producción anual de cemento en 1984 fue de 70 millones de toneladas en Estados Unidos y de 13.5 en el Reino Unido. Al mostrar el consumo de cemento (que no es igual a la producción, debido a las importaciones y exportaciones) en otros términos, la cantidad de cemento per cápita al año fue de 325 Kg en Estados Unidos de América y de 244 Kg en el Reino Unido; el consumo más elevado en un país grande industrializado fue de 678 Kg. en Italia. Otra cifra interesante es el consumo de aproximadamente 2000 kg per cápita en Arabia Saudita, Qatar y los Emiratos Árabes Unidos. El consumo de Chile el año 1999 fue de 207 kg.
Cemento Pórtland
Es producto obtenido por la pulverización de clinker (Calizas (Carbonato de CaCO3) más Arcillas (Sílice) y más yeso (Sulfato de calcio CaSO4)
Tipos de cemento
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
“Nombre Agragado”
clinker + yeso
>30%) agregados
puzolanas o escoria de alto horno
Química básica del cemento:
De la tabla siguiente puede obtenerse una idea general de la composición del cemento, y los límites de composición de óxido de los cementos Pórtland.
Componentes principales
Notación
Origen
Proporción(%)
Características principales
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
CaO (cal)
C
carbonato de calcio
60-67
· componente principal
· propiedades mecánicas aumentan con % cal
· cal libre perjudica estabilidad de volumen
SiO2 (sílice)
S
arcillas
17-25
· por combinación con la cal produce compuestos más importantes del cemento
Al2O3(alúmina)
A
arcillas
3-8
· fundante
· acelera fraguado cemento
· reduce resistencia a los sulfatos
Fe2O3 (óxido de fierro)
F
arcillas
0.5-6
· fundante + enérgico
· junto con alúmina facilita
· producción comercial de cemento con alto % de cal sin tener cal libre
SO3(sulfatos)
yeso
≤ 3
· retarda fraguado del C3A
· en exceso produce sulfoaluminato que perjudica estabilidad de volumen
MgO(magnesio)
caliza o arcilla
0.1-6
· en grandes cantidades actúa como expansivo
K2O y Na2O (alcalis)
0.5-1.3
· fundente
· provee alcalinidad al hormigón
· acelerador fraguado
· reacción
residuo insoluble
impurezas y yeso
0.5
· medida adulteración cemento
pérdidas al fuego
2
· medida carbonatación e hidratación de cal y magnesio libre por exposición atmosférica
TiO2, MnO3, P2O5, H2O
H
Composición Potencial del cemento.
Nombre compuesto
Composición óxido
Abreviatura
%
Evolución calor hidratación y endurecimiento
Resistencia
Silicato Tricálcico
3CaO-SiO2
C3S
42-60
rápido
mediano plazo (primeras 4 semanas)
Silicato Bicálcico
2CaO-SiO2
C2S
14-35
lento
largo plazo (4 semanas. )
Aluminato Tricálcico (*)
3CaO-Al2O3
C3A
6-13
muy rápido
Corto plazo (1-3 días)
Ferro Aluminato Tetracálcico
4CaO-Al2O3-Fe2O3
C4AF
5-10
muy lento
Largo plazo (primeros meses)
* Sensible a ataques de sulfatos
+ Otros como ser (MgO, CaO, Na2O, K2O, etc.)
Los silicatos, C3S y C2S son los componentes más importantes y los causantes de la resistencia de la pasta hidratada de cemento. El primero toma resistencia en las primeras cuatro semanas, y el segundo después de la cuarta. En realidad, los silicatos en el cemento no son componentes puros, sino que contienen óxidos menores en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos significativos en los ordenamientos atómicos, en la forma de los cristales y en las propiedades hidráulicas de los silicatos.
La presencia de C3A en el cemento no es deseable, ya que contribuye poco o nada a la resistencia del mismo, excepto en las primeras etapas; y es atacado por sulfatos. La formación de sulfoaluminato de calcio (estringita) puede causar resquebrajamientos por aumentos de volumen. Sin embargo, el C3A es benéfico durante la elaboración del cemento, porque favorece la combinación de cal y sílice.
El C4AF también está presente, en pequeñas cantidades, en el cemento y, en comparación con los otros tres componentes, no influye significativamente en su comportamiento; sin embargo, reacciona con el yeso para formar sulfoferrita de calcio y su presencia puede acelerar la hidratación de los silicatos.
La cantidad de yeso añadida al clinker es esencial y dependerá del contenido de C3A y del álcali del cemento. El incremento en la finura del cemento aumenta la cantidad de C3A disponible en las primeras etapas, así como los requerimientos de yeso; no obstante, el exceso de yeso lleva a la expansión. El contenido óptimo de yeso se determina con base en la generación de calor de hidratación para que se dé una tasa conveniente de reacción temprana adecuada, que asegure pocas cantidades de C3A disponible para reaccionar después de que todo el yeso se haya combinado.
Además de los componentes principales enumerados en la tabla anterior, hay componentes menores como MgO, TiO2, Mn2O3, K20 y Na2O; que por lo general no representan más que un pequeño porcentaje de la masa de cemento. De estos componentes menores, dos son de interés: los óxidos de sodio y potasio, Na2O y K20 conocidos como los álcalis (aunque también hay otros álcalis en el cemento). Se sabe que reaccionan con algunos agregados, conocida como la reacción álcali-agregado, lo cual causa desintegración del hormigón. Ayudan a generar alcalinidad y evitar la corrosión de la armadura en el hormigón. También se ha observado que afectan el índice de incremento de la resistencia del cemento. Por tanto cabe destacar que el término "componentes menores" se refiere a su cantidad y no necesariamente a su importancia.
Resumen de los componentes activos del cemento
C4AF: Color gris oscuro. No debe existir en cemento blanco. Reacciona rápido con agua, pero no produce ni mucho calor ni resistencia.
C3A: Reacciona muy rápido con agua, liberando mucho calor y fraguando muy rápido. Debe ser retardado agregando yeso, que forma un sulfo-aluminato. Contribuye a resistencia a muy temprana edad, pero poco a la resistencia final.
Reacciona con sulfatos una vez endurecido, produciendo expansión y daño al hormigón. Cementos resistentes a sulfatos tienen poco C3A, lo que se logra añadiendo óxido férrico transformándolo en C4AF.
C3S: Reacciona rápido con agua, liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH). Tiene gran resistencia y es el principal componente de resistencia a temprana edad. Cementos de bajo calor de hidratación deben tener bajo contenido de C3S.
C2S: Reacciona lento con agua para formar los mismos componentes que el C3S (CSH). Por su reacción lenta el calor se disipa. Contribuye a resistencia a larga edad.
Finura: Debido a que la reacción con el agua es de superficie, aumentando la finura, se aumenta la superficie y se acelera la reacción. El calor también se desprende más rápidamente.
Temperatura: Más alta acelera la reacción.
Hidratación del cemento
En la práctica, el material de mayor interés es la pasta de cemento, la cual es el producto de la reacción de cemento con agua. En presencia de agua, los silicatos y aluminatos del cemento Pórtland forman productos de hidratación o hidratos, que resultan en una masa firme y dura: la pasta endurecida de cemento. Como ya se estableció anteriormente los dos silicatos de calcio (C3S Y C2S) son los principales compuestos aglutinantes en el cemento, de los cuales el primero se hidrata más rápidamente que el segundo.
El producto de la hidratación del C3S es el hidrato microcristalino C3S2H3, generando hidróxido de calcio, Ca(OH)2 cristalino. El C2S se comporta de manera similar, pero genera menos Ca(OH)2. Los hidratos de silicato de calcio se describen como C-S-H (los que se referían previamente como gel tobermorita).
A continuación se muestran las principales transformaciones de los compuestos del cemento Portland.
Compuestos anhidros + H2O -> comp. hidratados + calor ===>sólido
(Solubles) (No solubles)
Teoría cristaloidal de Le Chatelier
· solución en agua de los compuestos anhidros
· reacción para formar compuestos hidratados
· precipitación de los componentes hidratados
· formación cristales pequeños alargados, entreverados entre sí
· desarrollo de fuerzas de adherencia entre cristales
Teoría coloidal de Michaelis
· Solución en agua de los compuestos del cemento
· precipitación de algunos compuestos en forma cristalina
· generación solución sobresaturada en cal
· solución actúa sobre los silicatos y por proceso electroquímico produce un silicato monocálcico hidratado poco soluble (CSH = tobermorita) o geles blandos impermeables superficialmente
Muestra gel de cemento.
Fases Sólidas en la Pasta de Cemento Hidratada:
1) C-S-H: -Silicatos de calcio hidratados.
· 50-60% del volumen de sólidos.
· Mayor fuente de resistencia
· Estructura amorfa
2) Ca(OH)2: -Hidróxido de calcio.
· 20-25% del volumen de sólidos.
· Forma grandes cristales hexagonales.
· Influencia en la resistencia es limitada.
· Mayor solubilidad que CSH, desmejora la durabilidad.
3) C6AS3H32: -Sulfoaluminatos de calcio. (etringita)
· 15-20% del volumen de sólidos.
· Tienen forma de agujas hexagonales.
· Contribuye a la resistencia inicial, de las primeras horas.
· Vulnerable a los ataques químicos.
Reacciones químicas de la hidratación
* Para C3S
2C3S + 6H à C3S2H3 + 3Ca (OH)2
CSH + 3CH
Silicato de hidróxido de
Calcio hidratado calcio (soluble)
Tobermorita (gel) (alcalinidad)
* Para C2S
2C2C + 4H à C3S2H3 + Ca (OH)2
CSH + CH
* Para C3A
C3A + H à fraguado => usar yeso
Relámpago
C3A + 26H + 3CS à C6AS3H32 etringita
(Sulfoaluminato de calcio insoluble)
C3A +10H + CS à C4ASH12 (forma meta estable)
C3A + 6H à C3AH6 aluminato tricálcico hidratado
* Para C4AF
C4AF+ 2Ca(OH)2 + 10H à C3AH6 + C3FH6 à C6AFH12
Alcalinidad del = álcalis del cemento y Ca(OH)2
Hormigón (K2O + Na2O) y (CH)
Representación esquemática de la formación e hidratación del cemento Pórtland
Calor de hidratación y resistencia
Como muchas reacciones químicas, la hidratación de los compuestos del cemento es exotérmica, y la cantidad de calor (en joules) por gramo de cemento no hidratado, desarrollada hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de
hidratación.
El calor de hidratación depende de la composición química del cemento, y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los componentes individuales puros, cuando sus proporciones respectivas en la masa se hidratan por separado. Los valores típicos aparecen en la siguiente tabla.
Así, al disminuir las proporciones de C3A y C3S, el calor de hidratación del cemento (y su índice de incremento) se reducirá. La finura del cemento afecta el índice de incremento de calor, pero no la cantidad total de calor liberada, que puede ser controlada por la cantidad de cemento (riqueza) en la mezcla del hormigón. A mayor finura, mayor será la rapidez de la hidratación y de la liberación de calor.
AC3
207 cal/gr.
SC3
120 cal/gr
FAC4
100 cal/gr
SC2
62 cal/gr.
Tabla: Calor de hidratación de los compuestos puros.
Puede observarse que no hay relación entre el calor de hidratación y las propiedades aglutinadoras de los componentes individuales. Como hemos visto, los dos principales encargados de la resistencia del cemento hidratado son el C3S y el C2S, y hay una regla que establece que el C3S contribuye más al desarrollo de la resistencia durante las primeras cuatro semanas, mientras que el C2S influye en el incremento posterior de la resistencia. Al cabo de aproximadamente un año, los dos componentes, masa por masa, contribuyen en forma aproximadamente igual a la resistencia del cemento hidratado. En la figura que sigue se muestra el desarrollo de la resistencia de los cuatro componentes puros del cemento. Sin embargo, en contraste con la posibilidad de predecir el calor de hidratación del cemento a partir de sus componentes constitutivos, no ha sido posible predecir la resistencia del cemento hidratado con base en su composición.
Desarrollo de la resistencia de componentes puros (Bogue, R. H., Chemistry of Pórtland Cement, Reinhold, Nueva York, 1955).
Componentes peligrosos
· Cal CaO se limitan porque producen expansiones
· Magnesia MgO
13.2 Propiedades y ensayos del cemento.
La comprensión del significado de algunas de estas propiedades físicas es útil para interpretar los resultados de las pruebas que se efectúan al cemento. En general, las pruebas de las propiedades físicas del cemento deben ser utilizadas exclusivamente para evaluar las propiedades del cemento más que para el concreto.
Ensayos del Cemento
En el polvo:
· densidades (real)
· finura
· composición química
En la pasta:
· agua de consistencia normal
· tiempo de fraguado
· estabilidad volumétrica
· calor de hidratación
· poder de retención de agua
En el mortero:
· compresión
· flexotracción
· Deformaciones y cambios volumétricos
Finura
La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430). Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.
Inalterabilidad
La sanidad se refiere a la capacidad de una pasta endurecida para conservar su volumen después del fraguado. La expansión destructiva retardada o falta de sanidad es provocada por un exceso en las cantidades de cal libre o de magnesia. Casi todas las especificaciones para el cemento Pórtland limitan los contenidos de magnesia (periclasa), así como la expansión registrada en la prueba de autoclave. Desde que en 1943 se adoptó la prueba de expansión en autoclave (ASTM C 151), prácticamente no han ocurrido casos de expansión anormal que puedan atribuirse a falta de sanidad.
Consistencia
La consistencia se refiere a la movilidad relativa de una pasta de cemento o mortero recién mezclado o bien a su capacidad de fluir. Durante el ensayo de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, misma que se define por una penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat, mientras se mezclan morteros para obtener ya sea una relación agua-cemento fija o para producir una cierta fluidez dentro de un rango dado.
La fluidez se determina en una mesa de fluidez tal como se describe en la norma ASTM C 230. Ambos métodos, el de consistencia normal y el de la prueba de fluidez sirven para regular los contenidos de agua de las pastas y morteros respectivamente, que serán empleados en pruebas subsecuentes. Ambos permiten comparar distintos ingredientes con la misma penetración o fluidez.
Tiempo de fraguado
Para determinar si un cemento fragua de acuerdo con los tiempos especificados en la norma ASTM C 150, se efectúan pruebas usando el aparato de Vicat (ASTM C 191) o la aguja de Gillmore. El fraguado inicial de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado pronto; el fraguado final tampoco debe ocurrir demasiado tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta esta desarrollando sus reacciones de hidratación de manera normal. El yeso regula el tiempo de fraguado en el cemento. También influyen sobre el tiempo de fraguado la finura del cemento, la relación agua-cemento, y los aditivos usados. Los tiempos de fraguado de los concretos no están relacionados directamente con los tiempos de fraguado de las pastas debido a la pérdida de agua en el aire (evaporación) o en los lechos y debido a las diferencias de temperatura en la obra en contraste con la temperatura controlada que existe en el laboratorio.
Falso Fraguado
El falso fraguado (Norma ASTM C 451 para el método de la pasta y norma ASTM C 359 para el método del mortero), se comprueba por una considerable pérdida de plasticidad sin que se desarrolle calor en gran abundancia poco tiempo después del mezclado. Desde el punto de vista de la colocación y del manejo, las tendencias del cemento Pórtland a provocar fraguado falso no causarán dificultades si el concreto se mezcla un mayor tiempo de lo normal o si es remezclado sin agregarle agua antes de ser transportado y colado.
Resistencia a la compresión:
La resistencia a la compresión, tal como lo especifica la norma ASTM C 150, es la obtenida a partir de pruebas en cubos de mortero estándar de 5 cm. ensayados de acuerdo a la norma ASTM C 109. Estos cubos se hacen y se curan de manera prescrita y utilizando una arena estándar. La norma chilena utiliza una probeta (vigueta) de 4*4*16 cm., que se utiliza para flexotracción y las dos partes resultantes se ensayan en compresión.
Ensayo a compresión de mortero empleando un espécimen de cemento cúbico de 5 cm. de arista.
Pérdida por calcinación
La pérdida por calcinación del cemento Pórtland se determina calentando una muestra de cemento de peso conocido a 900 ºC a 1000ºC hasta que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la pérdida en peso de la muestra. Normalmente una pérdida por calcinación elevada indica prehidratación y carbonatación, que pueden ser causadas por un almacenamiento prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la descarga. El ensaye para la pérdida por calcinación se lleva a cabo de acuerdo con la norma ASTM C 114.
Peso específico
Generalmente el peso específico del cemento Pórtland es de aproximadamente 3.15. El cemento de escoria de alto horno y los cementos Pórtland-puzolánicos pueden tener valores de pesos específicos de aproximadamente 2.90. El peso específico de un cemento no es indicador de la calidad del cemento; su uso principal se tiene en los cálculos de proporcionamiento de mezclas en volumen.
13.3 Tipos de Cemento:
Hasta ahora hemos considerado al cemento Portland como material genérico. Sin embargo, cuando los cementos con diferentes composiciones químicas se hidratan, pueden tener propiedades distintas. Es posible, por tanto, seleccionar mezclas de materias primas para la producción de varios tipos de cementos, según las propiedades requeridas. De hecho, diversos tipos de cementos Portland están disponibles comercialmente y pueden producirse cementos especiales para usos específicos. De acuerdo a la nominación ASTM de USA (no es la chilena), los tipos de cemento son los siguientes:
Desarrollo de la resistencia de concretos que contienen 335 kg. de cemento por metro cúbico hechos con cemento Portland de distintos tipos: común (tipo I), modificado (tipo II), de endurecimiento rápido (tipo III), bajo en calor (tipo IV), resistente al sulfato (tipo V).
Cemento Pórtland común (Tipo I)
Este es, el cemento más empleado en construcciones con concreto donde no hay exposición a sulfatos presentes en suelo o en agua del subsuelo. En este tipo de cemento hay que tener especial cuidado con la cantidad de cal activa dentro de él, ya que un exceso puede causar falta de solidez del cemento. A través de los años ha habido cambios en las características del cemento Pórtland común: los cementos modernos tienen mayor contenido de C3S Y mayor finura que los de hace 40 años.
Cemento Pórtland de endurecimiento rápido (Tipo III)
Es un cemento similar al tipo 1 y se rige por las mismas normas. Como lo indica su nombre, desarrolla su resistencia rápidamente, debido a su mayor contenido de C3S (hasta 70 %) y a su mayor finura, que es la que lo diferencia del de tipo I.
La razón principal para emplear el cemento tipo III es que la cimbra se vaya a mover pronto a fin de reutilizarla o donde se requiere con rapidez una resistencia suficiente para construcción ulterior. El período de fraguado de los cementos tipo III y 1 es el mismo.
Cementos Pórtland especiales de endurecimiento rápido
Estos son cementos especialmente fabricados para un endurecimiento súper rápido. La alta resistencia temprana se logra por una mayor finura (de 700 a 900 m2/kg) y un mayor contenido de yeso, pero esto no afecta la solidez en el largo plazo. Sus usos típicos son en el pretensado temprano y en reparaciones urgentes.
Un cemento de fraguado regulado se hace con una mezcla de cemento Portland y fluroaluminato de calcio, con un retardador apropiado (generalmente ácido cítrico). El periodo de fraguado (1 a 30 min.) puede controlarse en la manufactura del cemento al mezclar y quemar juntas las materias primas, mientras que el desarrollo de resistencia temprana se controla por el contenido de fluroaluminato de calcio.
Cemento Pórtland de bajo calor (Tipo IV)
Desarrollado en Estados Unidos de América para usarse en grandes e importantes represas de gravedad, tiene un bajo calor de hidratación. Debido al contenido más bajo de C3S Y C3A, hay un desarrollo de resistencia más lento que en el cemento Portland ordinario, aunque la resistencia final no es afectada. La finura no debe ser menor de 320 m2/Kg. para asegurar un índice suficiente de aumento de resistencia.
Cemento modificado (Tipo II)
En algunos casos, una resistencia temprana muy lenta constituye una desventaja. Por esta razón, en Estados Unidos se desarrolló un cemento modificado, con un índice mayor de calor desarrollado que la del tipo IV y un índice de aumento de desarrollo de resistencia similar a la del tipo I. El cemento tipo II se recomienda para estructuras en las que es deseable una baja generación de calor o en las que puede darse un ataque moderado de sulfato.
Cemento resistente al sulfato (Tipo V)
Este cemento tiene un bajo contenido de C3A para evitar el ataque de sulfato desde el exterior del concreto; de otra manera, la formación de sulfoaluminato de calcio y el yeso pueden ocasionar rotura del concreto debida al incremento de volumen de los componentes resultantes. Las sales más activas son el sulfato de magnesio y de sodio.
El sulfato ataca con mayor rapidez si la estructura se moja y se seca en forma alternativa, como en el caso de estructuras marinas expuestas a la marea o a chapoteo.
El calor desarrollado por el cemento resistente al sulfato no es mucho mayor que el del cemento de bajo calor, lo cual es una ventaja, aunque no es un cemento de uso general.
Cemento Pórtland de Alto Horno (Tipo IS)
Este cemento se elabora moliendo o mezclando juntos escoria de cemento Pórtland con escoria de alto horno granulados, que es un producto de desperdicio en la manufactura de lingotes de hierro. La escoria contiene cal, sílice y alúmina.
El cemento Pórtland de alto horno es semejante al cemento Pórtland común (tipo I), si consideramos finura, tiempos de fraguado y solidez. Sin embargo, su resistencia temprana generalmente es menor que la del cemento tipo I; las resistencias posteriores son semejantes. Sus usos típicos son en masa de concreto, debido al bajo calor de hidratación, y en construcciones marinas, por su mayor resistencia al sulfato (debida al menor contenido de C3A).
Puzolanas
La Puzolana se define como un material silicoso o, y aluminoso que en sí mismo no posee valor cementante, pero que lo tendrá en una forma dividida y fina en presencia de humedad. Reacciona a temperaturas normales y tiene reacciones químicas con la cal, por lo cual se forman compuestos con propiedades aglutinantes.
Los materiales típicos de este tipo son cenizas volcánicas (la puzolana original), pumicita, exquisitos de opalina y pedernal, tierra diatomácea calcinada, arcilla quemada y ceniza de combustible calcinada o fuel ash.
Cementos Pórtland-Puzolánicos
Por regla general, los cementos Portland-puzolánicos generan una resistencia lenta y, por tanto, requieren curado durante un periodo comparativamente largo, pero su resistencia en el largo plazo es alta. Los cementos puzolánicos suelen ser más baratos que el cemento Portland, al cual sustituyen, pero su ventaja principal radica en su hidratación lenta y, por tanto, en su bajo índice de desarrollo de calor. Los cementos producidos en Chile, que son en su gran mayoría Pórtland - puzolánicos o siderúrgicos, generan resistencias en forma similar a los Pórtland normales. Esto se consigue con mayor finura de molienda.
IMPORTANCIA DE LA DURABILIDAD DEL
CONCRETO
_ Principalmente debido a factores económicos ahora la durabilidad del concreto se está tomando más seriamente que antes. Las estimaciones para la reparación y rehabilitación de estructuras de concreto existentes llegan a billones de dólares.
_ La altas resistencia tempranas y baja permeabilidad han hecho a estas mezclas atractivas para su uso en ambientes agresivos como la exposición al agua de mar y otros este enfoque asume que cuanto más resistente es el concreto, más durable será bajo condiciones medio ambientales severas. Esta suposición necesita un examen crítico.
Durabilidad del Concreto:
Capacidad del concreto para ofrecerán comportamiento adecuado en el transcurso de la vida en servicio del elemento estructural.
¡Atención!
El concreto no sólo debe ser resistente sino durable frente a los agentes agresivos.
Durabilidad Permeabilidad Agua
FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD DEL CONCRETO ARMADO.
• Acciones Mecánicas.- Cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones.
• Acciones Físicas.- Variaciones de temperatura o de humedad, heladas, fuego, etc.
• Acciones Químicas.- Atmósferas contaminadas, aguas agresivas, agregados
reactivos, productos químicos, suelos y terrenos agresivos
• Acciones Biológicas.- Hongos bacterias, algas o musgos.
• Corrosión del Acero.- Presencia de cloruros y carbonatación.
AGENTES AGRESIVOS
-Corrosión-carbonatación
-Ataque por sulfatos
-Congelación y deshielo
-Reacción álcali-sílice
Reacción álcali- sílice
_ Esta reacción aun no se ha presentado en el Perú
_ Sin embargo existen posibilidades
_ La reacción se produce entre los álcalis del cemento y el agregado que es sílice amorfa
en presencia de humedad
_ Es una reacción lenta y compleja y que genera fuertes expansiones a largo plazo
Reacción álcali-sílice
_ Las primeras evidencias de de este fenómeno datan del año 1940 en Estados Unidos.
_ Se constató que el deterioro se producía por la formación de un gel alcalino
expansivo en la superficie de los agregados.
_ Este gel era producto de la reacción entre los álcalis solubles del cemento (Na20 y K2O) y algunos tipos de minerales presentes en los agregados (sílice amorfa
Control de la reacción álcali sílice
ADICIONES- Puzolanas, Escorias
Inhibidores de la reacción-uso del litio
Cementos de bajo contenido de álcalis
Como resistir a los agentes agresivos:
Concretos más densos
-Relaciones agua/cemento bajas entre 0.40 y 0.50
-Altos contenidos de cemento
-Cementos con características especiales
-Cementos de bajo contenido de álcalis
En nuestro país debemos referirnos básicamente a tres fenómenos.
- Corrosión-Carbonatación
- Ataque por sulfatos
- Congelación y deshielo
- Consideraremos también el ataque por agua de mar, que consiste en la combinación de
ataques por cloruros y sulfatos, además de otros factores
CORROSIÓN
Ataque por cloruros Carbonatación
La Corrosión constituye en la actualidad el principal fenómeno que afecta la durabilidad de las estructuras de concreto.
Falta de acceso (visual) al acero no permite la detección temprana
Factores Desencadenantes
Concreto
- Permeabilidad
- Recubrimiento
- Fisuras
Acero
- Tensiones mecánicas
- Cuplas bimetálicas
Ambiente
- Humedad
Hidróxido de Carbono
Proceso de corrosión electroquímico
Corrosión por carbonatación
Portlandita + CO2 -- Carbonato de Calcio
Se reduce la alcalinidad del concreto y por tanto la protección al acero de refuerzo.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
PH=8 A PH=13 solución de fenoltaleina
Corrosión por cloruros – ambiente marino
Ion cloruro presente en el agua o niebla marina actúa como catalizador de la oxidación.
Cloruro Férrico Hidróxido de Fierro.
( FeCl3)- Fe(OH)2
2Fe + 6Cl- = 2(FeCl3)- + 4e-
(FeCl)- + 2(OH) - = Fe(OH)2+ 3Cl
Concentración de cloruros –umbral de cloruros
_ Cloruros totales
_ Cloruros libres
_ Depende :
_ Temperatura y humedad
_ Aluminato tricálcico
_ Agua
_ Fuente de cloruro
Para evitar la corrosión
• Cemento apropiado
• Baja permeabilidad
• Recubrimiento del acero
• Inhibidores de corrosión
Ataque por sulfatos
El ion sulfato aparece en variadas concentraciones en las aguas libres subterráneas.
Suelos arcillosos - alta concentración
Ataque por sulfatos Expansión Desintegración
Proceso
_ Ion Sulfato + Hidróxido de Calcio = Sulfato de Calcio
_ Aluminato Tricálcico= Sulfoaluminato de Calcio Hidratado
_ ETRINGITA
_ Expansión total 200%
Condiciones que afectan el ataque por sulfatos
Externas
-Condiciones de Exposición
-Cantidad de agua disponible
Internas
-Permeabilidad del Concreto
-Dimensiones del elemento
Nuevas investigaciones
_Recientes estudios parecen demostrar que el principal motivo de deterioro del concreto por sulfatos no es el tradicional sino el proceso de cristalización y expansión de sales.
Acción química mas que física
_ Según un estudio realizado en USA durante 16 años .Kumar Mehta opina en el mismo sentido, al decir que el ataque sólo por sulfatos en estructuras de concreto es raro si no intervienen la permeabilidad, la humedad y los cambios climáticos (Laboratorio).
Características del concreto
Selección del Cemento: Adicionado
Tipo II
Tipo V
Relación agua / cemento baja
Altos contenidos de cemento
Compacidad de la mezcla
Buen curado
El ataque por agua de mar
El agua de mar ataca al concreto de diferentes formas:
Por cloruros
Por sulfatos
Por el oleaje
Por las mareas
Por microorganismos
El agua de mar ataca al concreto básicamente por cloruros que por sulfatos a pesar de tener altas concentraciones de estos últimos, debido a la acción de los cloruros. Para resistir al ataque de cloruros nos conviene un cemento con alto aluminato tricálcico ya que este fija cloruros y por tanto atenúa sus efectos pero por otro lado el C3A se combina con los iones sulfato para formar la dañina etringita .En resumen lo ideal es un cemento con un valor medio de C3A de aproximadamente 10%
Congelación y deshielo
_ El concreto sujeto a ciclos de congelación y deshielo puede sufrir graves daños si no se toman las debidas precauciones.
AIRE INCORPORADO Y DENSIDAD
Relación a/c =0.5
Proceso de acción
Debido a que al congelarse el agua en los poros de la pasta aumenta su volumen ejerciendo fuertes presiones. El aire incorporado da impermeabilidad al concreto al romper las conexiones entre capilares y aliviar la presión causada por el congelamiento del agua libre .Es importante destacar que el aire incorporado mejora la trabajabilidad de las mezclas.
Agregados
Es importante el contar con agregados de buena calidad para que soporten el fenómeno de congelación y deshielo. Ensayo de inalterabilidad a sulfatos de sodio o Magnesio
Extraño caso
_ Extraño caso en un tarrajeo en una residencia de Máncora.
_ Uso de cal artesanal en el mortero, cal que no fue bien apagada.
ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO
ABASTECIMIENTO DE CEMENTO
Mezclado del concreto
• El amasado del concreto permite asegurar la mezcla de diferentes componentes de la
forma más homogénea posible.
• El tiempo de mezclado se empieza a contar, después de haber ingresado todos los
insumos.
• En mixer, el tiempo de mezclado, es el tiempo necesario para alcanzar entre 70 y
100 RPM
Homogeneidad en la mezcla del concreto
• Producir y entregar concretos con propiedades constantes, con dispersiones mínimas
en sus propiedades, es una tarea de primer orden para todo Productor de Concreto
Premezclado
El Concreto Compactado con Rodillo (CCR) ¡importante desarrollo en la tecnología de presas en los últimos años, ganando aceptación alrededor del mundo en un relativo corto tiempo debido a su bajo costo, el cual es derivado en parte por su rápido modo de construcción, a su bajo contenido de cemento y su condición de asentamiento nulo.
En nuestro país la aplicación de esta teoría es mínima, por tal motivo, la presente investigación se ha desarrollado con el objeto de dar a conocer con más amplitud la tecnología y diseño de mezclas CCR para presas, aplicando conceptos conocidos por ingenieros geotécnicos, adaptándolos a esta metodología, lo que permitirá que en el Perú se pueda desarrollar esta técnica al igual que otros países.
CONCEPTO El Concreto Compactado con Rodillo se define como una mezcla de cemento y agregados seleccionados, con un contenido de aguas suficientemente reducido para permitir su compactación con rodillo.
.
Aplicaciones
Puede ser considerado para trabajos en grandes rellenos, pavimentos, fundaciones masivas, bases de losas, ataguías, reparaciones de emergencia y protección superficial para presas y terraplenes. Pero donde mayor uso se le ha dado es en la construcción de presas, en lugar del concreto colocado convencionalmente .La técnica de construcción con CCR ha hecho que las presas de CCR sean una alternativa económica y competitiva frente alas presas convencionales de concreto y las presas de tierra .
APLLIICACIIONES
El cemento y la resistencia del concreto
Puzolanas
Los materiales puzolánicos, no endurecen cuando se amasan con agua, pero finamente molidos, reaccionan en presencia del agua, con el hidróxido de calcio [Ca(OH)2] y forman compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio, capaces de desarrollar resistencias. Las puzolanas constan esencialmente de SiO2, reactivo y Al2O3, además Fe2O3 y otros óxidos. El contenido de SiO2 reactivo mayor del 25% en masa
Filler Calizo
Los filleres son materiales minerales seleccionados, según su distribución granulométrica, mejoran las propiedades físicas del cemento. Las calizas que se emplean como filler para su inclusión en el cemento deben de encontrarse en una proporción de CaCO3 75% en masa y estar libres de contaminación de materia orgánica o arcilla.
Microsílice
Sub-producto de la industria del ferrosilicio .Microesferas de sílice amorfa, con 90% a 96% de SiO2, Diámetro promedio del orden de 0,1 micrones, densidad de 2,0 g/cm3.
Resultado de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón, en hornos eléctricos durante la producción ferrosilicio. El humo de sílice asciende como vapor oxidado de los hornos a 2000 ºC. Cuando se enfría, el humo de sílice se condensa y se recoge en colectores de polvo orgánica o arcilla.
Los aditivos súper plastificantes son polímeros de muy alto peso molecular que actúan al ser absorbidos en la superficie de las partículas de cemento, eliminando la aglomeración y la fricción entre ellas, de manera de reducir el requerimiento de agua de mezcla .Los cementos adicionados se comportan como un fluido trioxópico no newtoniano, es decir, fluyen cuando se aplica una fuerza y dejan de fluir cuando esta cesa.
La primera generación de aditivos tuvieron como base a los lign o sulfatos, provenientes de la industria maderera, limitados en su porcentaje de incorporación, obteniéndose reducciones de agua del 10%.Los aditivos de segunda generación, desarrollados en la década de 1970, permitían producir concreto de relación a/c de 0.30, con una reducción del agua del orden del20%.
_- Condensados de formaldehído-melamina sulfonato
(SMF).
_- Condensados de formaldehído naftaleno sulfonatoLa nueva generación de aditivos químicos, debido a los nuevos materiales: policarboxilatos o éter depolicarboxílico, productos de síntesis, diferentes partes del polímero de cadena larga, controlan diversas propiedades del concreto .Presentan elevada capacidad reductora de agua y elevado desarrollo de resistencias iniciales. Además de gran poder fluidificante y mantenimiento de consistencia. (SNF).
Ferrocemento
Tipo especial de concreto reforzado compuesto de capas estrechamente espaciadas de alambre o malla continua metálica relativamente fina e insertada en el mortero.
Ferrocemento es un tipo de construcción de concreto con espesores delgados, en el cual, generalmente, el cemento hidráulico está reforzado con capas de malla continua de diámetro relativamente pequeño. La malla puede ser de material metálico o de otros materiales adecuados.
Ventajas del ferrocemento
_Materias primas de fácil obtención en cualquier lugar del país.
_El cemento, la arena y las mallas son materiales económicos al alcance de pobladores con escasos recursos.
_La construcción de ferrocemento no requiere de habilidades especiales.
_El ferrocemento es un material sumamente versátil, pudiendo fabricarse elementos de cualquier forma según la necesidad del usuario.
_La construcción en FC no requieren instalaciones pesadas, ni maquinarias.
_Las obras de FC tienen gran durabilidad y no exigen mayor mantenimiento.
Aplicaciones potenciales
_Botes de recreo;
_Depósitos para almacenar alimentos;
_Almacenamiento de simiente (hortalizas, etc.);
_Silos;
_Tanques;
_Depósitos de agua, piletas;
_Canales de aguas negras, tanques sépticos y otras facilidades de tratamiento; alcantarillado;
_Cubas para teñir;
_Secadores.
_Plataformas para secar té, café;
_Comederos y bebederos para ganado;
_Depósitos de agua potable y de irrigación;
_Cañería y conductos de irrigación;
_Planchas para techos;
_Empanelado de paredes;
_Postes para diferentes usos.
MATERIALES
Mallas
_ De alambre hexagonal, conocida como gallinero. Se fabrica con alambres que se entretejen en forma hexagonal.
_ El diámetro del alambre varia de 0.05 a 0.01 cm. y las aberturas de la malla de 1 a 2.5 cm.
Malla de alambre soldado
Está fabricada con acero resistente a la tracción. Presenta mayor rigidez. Permite fácil moldeo y curvas de líneas suaves.
Malla entretejida
Los alambres se entretejen al tamaño de la cuadrícula requerida, no requieren soldadura, hay dificultad para mantenerlas en posición y presentan ondulaciones.
Malla de metal desplegado
Constituida por una hoja delgada de metal en la cual se realizan aberturas.
Acero de Refuerzo
Se aplican en estructuras sujetas a esfuerzos importantes, como barcos, para hacer el armazón de la estructura sobre la cual se colocan las mallas.
Las varillas se distribuyen longitudinalmente y verticalmente según se requieran, generalmente distanciadas en más de 30 cm.
Cemento
Se utilizan todos los tipos de cemento normalizados:
_Cemento Pórtland, los cinco tipos, según la NTP334.009.
_Cementos Pórtland adicionados, todos los tipos, según la NTP 334.090.
_Cementos de la norma de performance, NTP334.082.
Arena
Preferentemente de acuerdo a la NTP 339.037 y optar por canteras de materiales conocidos.
Aditivos
Únicamente en obras especiales, con asesoramiento tecnológico.
Recubrimiento
Pintura y materiales de vinilo y epóxicos.
Construcción
_ Colocación de la malla de alambre en la forma adecuada.
_ Mezcla de mortero.
_ Aplicación del mortero.
_ Curado.
_ En la mayoría de las estructuras la malla de alambre es el elemento principal que brinda resistencia y rigidez estructural. En estructuras sujetas a grandes esfuerzos como barcos, las varillas de acero contribuyen a este comportamiento.
_ La cuantía de acero varía del 1 al 8%.
_ La colocación de la malla de alambre debe acomodarse en lo posible libremente y los
traslapes deben tener como mínimo 5 cm. y no exceder en demasía.
_ La malla de acero se coloca a ambos lados de las varillas, cuando éstas están proyectadas.
_ Las mallas de alambre se amarran a las varillas con alambre galvanizado de 15 a 30 cm.
_ El mortero debe tener protecciones adecuadas y en lo posible una relación agua cemento en peso de 0.45 a 0.40 y un dosaje de cemento de 340 k/m3 de mortero, para garantizar la durabilidad.
_ Las proporciones arena/cemento recomendadas varían entre 1.5 a 2.5.
_ Aplicación del mortero.
_ La aplicación del mortero es esencial en la performance de la estructura. La aplicación a mano es satisfactoria.
En muchas obras no se requiere encofrado, sin embargo en muchos casos puede utilizarse como apoyo del mortero cualquier material apropiado hasta después de colocarse. Existen dos modalidades de aplicación:
El método en una etapa se refiere a una sola aplicación monolítica del mortero para rellenar la malla de acero, dando el acabado tanto interior como exterior al mismo tiempo, antes que se inicie el fraguado del mortero de cemento.
El método en dos etapas se refiere al procedimiento de aplicar el mortero primero en un lado, presionándolo hasta que pase hasta las superficies internas del alambre central, se da el acabado al lado externo y se cura; los huecos que quedan se llenan Después desde el otro lado, y posteriormente se les da el acabado y el curado.
Curado
Los métodos de curado son los convencionales de acuerdo a las características de los elementos y lo disponible en el lugar de la construcción.
El curado puede ser en baño de agua, por aspersión, y eventualmente con membrana
impermeable.
Durabilidad
Las condiciones de durabilidad son las que corresponden al concreto reforzado en medios agresivos. Una ventaja interesante del ferrocemento es la casi nula fisuración en
razón de la malla.
Sin embargo, en estructuras de cobertura expuestas a la acción de la brisa marina hay una acción de corrosión por cloruros. Las precauciones son las mismas que en el caso
del concreto: asegurar el espesor conveniente de mortero y un dosaje apropiado de cemento y a/c.
Así mismo, con el curado debido en los primeros 14 días la protección externa y el uso de malla galvanizada puede contribuir a eliminar los problemas de corrosión.
En los casos que el elemento del ferrocemento está en contacto con suelos salitrosos o agua con presencia de sulfatos, deberá utilizarse cemento puzolánico o los tipos II o V según las condiciones de agresividad. La corrosión por carbonatación que depende de las condiciones ambientales, puede ser controlada, como en el caso anterior con un dosaje alto de cemento y una baja relación agua/cemento.
USO DE LOS ADITIVOS EN CONCRETO Y VENTAJAS EN LOS PROCESOS CONSTRUCTIVOS
REQUERIMIENTOS BÁSICOS PARA UN BUEN CONCRETO
§ Resistencia .- Para obtener la capacidad de resistir cargas estructurales.
§ Durabilidad .- Capacidad para resistir la acción del ambiente.
§ Trabajabilidad.- Medida de la facilidad con la que el concreto puede ser colocado y acabado.
§ Economía.- Los mayores beneficios con los menores costos.
Los aditivos permiten modificar las propiedades del concreto de manera prevista y controlada, a fin de cubrir los requerimientos básicos y evitar las condiciones indeseables
§ El cemento reacciona con el agua (hidratación) y forma un material adherente que al endurecerse mantendrá al resto de componentes unidos entre sí.
§ Los productos de la hidratación del cemento son los responsables de dar las propiedades físicas y químicas a la pasta de cemento y por lo tanto al concreto.
§ Los principales productos de la hidratación del cemento son :
§ Silicato tricálcico.- Define la resistencia inicial.
§ Silicato dicálcico.- Define la resistencia a largo plazo. (75 – 80%)
§ Aluminato tricálcico.- Responsable de resistencia del cemento a los sulfatos. Controla la hidratación. (4 - 11%)
§ Aluminoferrito tetracálcico.- Define la velocidad de hidratación. Responsable de las características físico-mecánicas (8 - 13%)
§ Los aditivos influyen directamente sobre estos componentes, modificando las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la pasta de cemento.
BIBLIOGRAFIA
1. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Donald R. Askeland
2. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales. William F,Smith
3. Materials Science Cd-Rom. John C. Russ, North Carolina State University
4. Estructura atómica de los materiales. Juan Pablo Covarrubias.
5. Comportamiento Mecánico de los materiales Carlos Videla Cifuentes y L Berrios
6. Construction Materiales. J. Patton
7. Manual del Acero Fernando Verbal
Manual del hormigón
8. Compendio de tecnología del Hormigón Hernan Zabaleta
