materiales aglomerantes cemento 2
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
UNIDAD IIIMATERIALES AGLOMERANTES
IntroducciónLos materiales aglomerantes, son todos aquellos que tienen propiedades
hidráulicas, es decir, en presencia del agua reaccionan; estos abarcan
los productos que se mezclan con agua o con otro líquido, para obtener
una pasta cementosa, que puede ser moldeada en estado plástico, pero
que al endurecer se convierte en un cuerpo rígido.
Los principales cementantes hidráulicos son las cales y cementos
hidráulicos, algunas escorias y ciertos materiales con propiedades
puzolánicas. De acuerdo con el grado de poder cementante y los
requerimientos específicos de las aplicaciones, estos cementantes
pueden utilizarse en forma individual o combinados entre si.
Al referirse específicamente al concreto convencional, como se emplea
en la construcción, resultan excluidas las cales hidráulicas, por lo cual
solo procede considerar los cementos, las escorias, los materiales
puzolánicos y sus respectivas combinaciones.
Por otra parte, bajo la denominación genérica de cementos hidráulicos
existen diversas clases de cemento con diferente composición y
propiedades, en cuya elaboración intervienen normalmente las materias
primas.
El cemento no es lo mismo que el concreto, es uno de los ingredientes
que se usan en él. Sus primeros usos datan de los inicios de 1800 y,
desde entonces, el cemento Pórtland se ha convertido en el cemento
más usado en el mundo. Su inventor le dio ese nombre porque el
concreto ya curado es del mismo color que una piedra caliza que se
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
obtiene cerca de Pórtland, Inglaterra. Este tipo de cemento es una
mezcla de caliza quemada, hierro, sílice y alúmina, y las fuentes más
comunes donde se pueden obtener estos materiales son el barro, la
piedra caliza, esquisto y mineral de hierro. Esta mezcla se mete a un
horno de secar y se pulveriza hasta convertirlo en un fino polvo, se
empaca y se pone a la venta.
Antecedentes del Cemento
El origen del cemento es tan antiguo, como la humanidad ya que la
necesidad que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así
como las estructuras necesarias para su progreso, ha constituido el
factor principal en la búsqueda de materiales para esta finalidad.
Desde la antigüedad, se emplearon pastas y morteros elaborados con
arcilla, yeso o cal para unir mampuestos en las edificaciones. Fue en la
Antigua Grecia cuando empezaron a usarse tobas volcánicas extraídas
de la isla de Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a.
C. se empezó a utilizar el cemento natural en la Antigua Roma, obtenido
en Pozzuoli, cerca del Vesubio. La bóveda del Panteón es un ejemplo de
ello. En el siglo XVIII John Smeaton construye la cimentación de un faro
en el acantilado de Edystone, en la costa Cornwall; empleando un
mortero de cal calcinada, este encontró que el mejor mortero se obtenía
cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad
de material arcilloso, Smeaton fue el primero en conocer las
propiedades químicas de la cal hidráulica. El siglo XIX, Joseph Aspdin y
James Parker patentaron en 1824 el “Portland Cement”, denominado así
por su color gris verdoso oscuro. Isaac Johnson, en 1845, obtiene el
prototipo del cemento moderno, con una mezcla de caliza y arcilla
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
calcinada a alta temperatura. En el siglo XX surge el auge de la industria
del cemento, debido a los experimentos de los químicos franceses Vicat
y Le Chatelier y el alemán Michaélis, que logran cemento de calidad
homogénea, unido a la invención del horno rotatorio para calcinación y
el molino tubular y los métodos de transportar hormigón fresco ideados
por Juergen Hinrich Magens que patenta entre 1903 y 1907.
El Cemento
El cemento se conoce como cemento Portland, es una mezcla de calizas
y arcillas pulverizadas a grandes temperaturas con adición de yeso, que
fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia
pétrea; generalmente se emplea uniendo fragmentos de grava y arena,
para formas un sólido único o piedra artificial, conocida con el nombre
de concreto hidráulico; su uso está muy generalizado en construcción e
ingeniería civil, su principal función es la de aglutinante.
Proceso de Fabricación del Cemento
Existe una gran variedad de cementos según la materia prima base y los
procesos utilizados para producirlo, que se clasifican en procesos de vía
seca y procesos de vía húmeda.
El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas
principales:
1. Extracción y molienda de la materia prima
2. Homogeneización de la materia prima
3. Producción del Clinker
4. Molienda de cemento.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
La materia prima para la elaboración del cemento (caliza, arcilla, arena,
mineral de hierro y yeso) se extrae de canteras o minas y, dependiendo
de la dureza y ubicación del material, se aplican ciertos sistemas de
explotación y equipos. Una vez extraída la materia prima es reducida a
tamaños que puedan ser procesados por los molinos de crudo.
La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o por vía seca,
dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para mezclar los
materiales. En el proceso húmedo la mezcla de materia prima es
bombeada a balsas de homogeneización y de allí hasta los hornos en
donde se produce el clinker a temperaturas superiores a los 1500 °C. En
el proceso seco, la materia prima es homogeneizada en patios de
materia prima con el uso de maquinarias especiales. En este proceso el
control químico es más eficiente y el consumo de energía es menor, ya
que al no tener que eliminar el agua añadida con el objeto de mezclar
los materiales, los hornos son más cortos y el clinker requiere menos
tiempo sometido a las altas temperaturas.
El clinker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la
etapa de homogeneización, es luego molido con pequeñas cantidades
de yeso, hasta obtener la finura deseada, para finalmente obtener
cemento.
Composición Química del Cemento
La influencia que el cemento portland ejerce en el comportamiento y
propiedades de la pasta cementante y del concreto, derivan
fundamentalmente de la composición química del clinker y de su finura
de molienda.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Una vez que el agua y el cemento se mezclan para formar la pasta
cementante, se inicia una serie de reacciones químicas que en forma
global se designan como hidratación del cemento. Estas reacciones se
manifiestan inicialmente por la rigidización gradual de la mezcla, que
culmina con su fraguado, y continúan para dar lugar al endurecimiento y
adquisición de resistencia mecánica en el producto. Aun cuando la
hidratación del cemento es un fenómeno sumamente complejo, existen
simplificaciones que permiten interpretar sus efectos en el concreto. Con
esto admitido, puede decirse que la composición química de un clinker
portland se define convenientemente mediante la identificación de
cuatro compuestos principales, cuyas variaciones relativas determinan
los diferentes tipos de cemento portland; A saber, silicatos de calcio
(C3S y C2S), aluminato Tricalcico (C3A) y el aluminoferrito tetracalcico.
En términos prácticos se concede que los silicatos de calcio (C3S y C2S)
son los compuestos más deseables, porque al hidratarse forman los
silicato hidratados de calcio (S-H-C) que son responsables de la
resistencia mecánica y otras propiedades del concreto. Normalmente, el
C3S aporta resistencia a corto y mediano plazo, y el C2S a mediano y
largo plazo, es decir, se complementan bien para que la adquisición de
resistencia se realice en forma sostenida.
El aluminato Tricalcico (C3A) es tal vez el compuesto que se hidrata con
mayor rapidez, y por ello propicia mayor velocidad en el fraguado y en el
desarrollo de calor de hidratación en el concreto. Asimismo, su presencia
en el cemento hace al concreto más susceptible de sufrir daño por
efecto del ataque de sulfatos. Por todo ello, se tiende a limitarlo en la
medida que es compatible con el uso del cemento.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Finalmente, el aluminoferrito tetracalcico es un compuesto
relativamente inactivo pues contribuye poco a la resistencia del
concreto, y su presencia más bien es útil como fundente durante la
calcinación del clinker y porque favorece la hidratación de los otros
compuestos.
Tipos de Cemento
Los Cementos Portland por lo general, se fabrican en cinco tipos cuyas
propiedades se han normalizado sobre la base de la especificaciones de
normas para Cemento Portland; los tipos se distinguen según los
requisitos tanto físicos como químicos.
Portland Tipo I: Es un cemento normal, se produce por la adición de
clinker más yeso. De uso general en todas las obras de ingeniería donde
no se requiera miembros especiales. De 1 a 28 días alcanza de 1 al
100% de su resistencia relativa.
Portland Tipo II: Cemento modificado para usos generales. Resiste
moderadamente la acción de los sulfatos, se emplea también cuando se
requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo II adquiere
resistencia más lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma
resistencia. Las características de este Tipo de cemento se logran al
imponer modificaciones en el contenido de Aluminato Tricalcico (C3A) y
el Silicato Tricalcico (C3S) del cemento. Se utiliza en alcantarillados,
tubos, zonas industriales. Alcanza del 75 al 100% de su resistencia.
Portland Tipo III : Cemento de alta resistencia inicial, recomendable
cuando se necesita una resistencia temprana en una situación particular
de construcción. El concreto hecho con el cemento Tipo III desarrolla una
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretos
hechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento
Tipo III aumenta la resistencia inicial por encima de lo normal, luego se
va normalizando hasta alcanzar la resistencia normal. Esta alta
resistencia inicial se logra al aumentar el contenido de C3S y C3A en el
cemento, al molerlo más fino. Dado a que tiene un gran
desprendimiento de calor el cemento Tipo III no se debe usar en grandes
volúmenes. Con 15% de C3A presenta una mala resistencia al sulfato. El
contenido de C3A puede limitarse al 8% para obtener una resistencia
moderada al sulfato o al 15% cuando se requiera alta resistencia al
mismo, su resistencia es del 90 al 100%.
Portland Tipo IV: Cemento de bajo calor de hidratación se ha
perfeccionado para usarse en concretos masivos. El bajo calor de
hidratación de Tipo IV se logra limitándolos compuestos que más influye
en la formación de calor por hidratación, o sea, C3A y C3S. Dado que
estos compuestos también producen la resistencia inicial de la mezcla
de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con
lentitud. El calor de hidratación del cemento Tipo IV suele ser de más ó
menos el 80% del Tipo II, el 65% del Tipo I y 55% del Tipo III durante la
primera semana de hidratación. Los porcentajes son un poco mayores
después de más ó menos un año. Es utilizado en grandes obras, moles
de concreto, en presas o túneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días
es de 55 a 75%.
Portland Tipo V: Cemento con alta resistencia a la acción de los
sulfatos, se especifica cuando hay exposición intensa a los sulfatos. Las
aplicaciones típicas comprenden las estructuras hidráulicas expuestas a
aguas con alto contenido de álcalis y estructuras expuestas al agua de
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
mar. La resistencia al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el
contenido de C3A, pues este compuesto es el más susceptible al ataque
por el sulfato. Alcanza su resistencia relativa del 65 al 85 %.
Tipos de Cementos Especiales
Cemento Portland Blanco : Es el mismo Portland regular, lo que
defiere es el color, esto se obtiene por medio del color de la
manufactura, obteniendo el menor numero de materias primas que
llevan hierro y oxido de magnesio, que son los que le dan la coloración
gris al cemento. Este cemento se usa específicamente para acabados
arquitectónicos tales como estuco, pisos y concretos decorativos.
Cemento Portland de Escoria de Alto Horno: Es obtenido por la
pulverización conjunta del clinker portland y escoria granulada
finamente molida con adición de sulfato de calcio. El contenido de la
escoria granulada de alto horno debe estar comprendido entre el 15% y
el 85% de la masa total.
Cemento Siderúrgico Supersulfatado: Obtenido mediante la
pulverización de escoria granulada de alto horno, con pequeñas
cantidades apreciables de sulfato de calcio.
Cemento Portland Puzolanico: Se obtiene con la molienda del clinker
con la puzolana. Tiene resistencia parecida al cemento normal y
resistente ataques al agua de mar, lo que lo hace aconsejable para
construcciones costeras. Para que el cemento sea puzolanico debe
contener entre el 15% y el 50% de la masa total. El cemento puzolanico
se utiliza en construcciones que están en contactos directos con el agua,
dada su resistencia tan alta en medios húmedos.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Cemento Portland Adicionado: Obtenido de la pulverización del
clinker portland conjuntamente con materiales arcillosos o calcareos -
silicos-aluminosos.
Cemento Aluminoso: Es el formado por el clinker aluminoso
pulverizado el cual le da propiedad de tener alta resistencia inicial. Es
también resistente a la acción de los sulfatos así como a las altas
temperaturas.
Propiedades Físicas del Cemento
Finura del Cemento: la finura se define como la medida o tamaño de
las partículas que componen el cemento; se expresa en cm²/gr lo cual
llamamos superficie de contactos o superficies especificas; esto se
refleja en el proceso de hidratación del cemento ya que a mayor
superficie de contacto mejor y más rápida es el tiempo de fraguado.
Entre más fino sea el cemento más rápido es el contacto con el agua y
entre mayor sea la superficie de contacto mayor es la finura del
cemento. En 28 días un cemento a cumplido el 90% de su hidratación, el
otro 10% puede tardar años.
Peso Especifico o Densidad Aparente del Cemento: El peso
específico expresa la relación entre la muestra de cemento y el volumen
absoluto. El peso específico del cemento debe estar entre 3.10 a 3.15
gr/cm³ . El valor del peso específico no indica la calidad de un tipo de
cemento, sino que su valor es usado para el diseño de la mezcla. Con el
valor del peso específico se pueden encontrar otras características del
concreto.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Consistencia Normal del Cemento: Al agregar agua al cemento se
produce una pasta (cemento + agua), la cual se hace más fluida a
medida que se le va aumentando el contenido de agua. La consistencia
normal es un estado de fluidez alcanzado por la pasta del cemento que
tiene una propiedad óptima de hidratación. Se expresa como un
porcentaje en peso o volumen de agua con relación al peso seco del
cemento.
Almacenamiento del Cemento
El cemento es una sustancia particularmente sensible a la acción del
agua, de la humedad y del anhídrido carbonilo del ambiente, este puede
conservarse sin deteriorarse, en la medida en que esté protegido de la
humedad del suelo y del aire, por lo tanto deben observarse ciertas
precauciones para su almacenamiento, especialmente si se va
almacenar por tiempos prolongados.
Los depósitos deben ser techados y ventilados.
Almacenar las bolsas en lugares secos siempre sobre paletas o
tablones secos, separados del piso (mínimo 12 cm) y retiradas de las
paredes (mínimo 20 cm).
Si hubiera riesgos de mojaduras por lluvia o condensación, cubrir
las paletas de cemento con láminas de plástico resistente.
Tiempos prolongados de almacenamiento, aún en las condiciones
indicadas más arriba, también pueden producir grumos.
Habitualmente los grumos por compactación no ocasionan
problemas en el desempeño de los productos.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIAPROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Asegurar una adecuada rotación del cemento estibado. Almacenar
las bolsas de modo de ir utilizando/despachando las más antiguas
primero.
Evitar períodos de almacenamiento prolongados ya que,
dependiendo de las condiciones de almacenamiento, el desarrollo de
resistencia a compresión del cemento a edad temprana podría llegar a
reducirse sensiblemente.
Se recomienda estibar, como máximo, hasta dos paletas uno sobre
otro. Mayor cantidad de paletas apiladas puede ocasionar compactación
en las bolsas inferiores (grumos).
No arrojar las bolsas desde lo alto ni arrastrarlas por el piso.