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Tecnología del hormigón Página 1/45

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL Facultad Regional Santa Fe Cátedra: Tecnología del Hormigón - Ingeniería Civil Profesor: Ing. Ma. Fernanda Carrasco UNIDAD 2. MATERIALES CEMENTICIOS

Cemento portland. Proceso de Fabricación

Si bien hubo algunos intentos anteriores, puede considerarse que la fabricación del cemento portland en nuestro país se inició en 1917 con la instalación de la primera fábrica de la Compañía Argentina de Cemento Portland (hoy Loma Negra) en la zona conocida como La Providencia (Sierras Bayas, Pcia. de Buenos Aires). La caliza arcillosa de esta zona presenta una composición aproximada a la del cemento portland). Materias primas: El cemento portland se elabora a partir de una mezcla de materiales que aportan sus principales componentes: cal, sílice, alúmina y óxidos de hierro. La roca caliza y la arcilla son las materias primas por excelencia. La primera aporta el CaO y la segunda la alúmina y los óxidos de hierro. También pueden utilizarse como materias primas: pizarra, creta, depósitos de conchillas y marga calcárea. La caliza es una roca sedimentaria cuyo principal componente es CaCO3, su color depende de las impurezas que contenga (sustancias arcillosas, minerales de hierro). La marga es otra fuente importante de componente calcáreo, se trata de una roca sedimentaria originada por deposición simultánea de CaCO3 y material arcilloso. Su color varía desde el amarillo hasta el gris oscuro. Las margas son una excelente materia prima para fabricar cemento pues contiene todos sus componentes. La arcilla está formada por hidrosilicatos de alúmina e hidróxido de hierro, que es el componente que le da color. Las impurezas no deseadas que se presentan en las materias primas son: dolomita (CaCO3.MgCO3), álcali (Na2O y K2O), pirita y marcasita (FeS2) y en muy pequeñas proporciones óxido manganeso (MnO2) y titanio (TiO2). Además de los materiales naturales, se incorporan como agentes fundentes en el horno minerales y materiales ferrosos que permiten una menor temperatura de fusión de las materias primas. Las arenas son utilizadas para corregir el porcentaje de sílice en la mezcla. Extracción y molienda de las materias primas: La preparación del producto a hornear puede efectuarse a través de dos procesos, uno llamado “vía húmeda” y el otro, “vía seca”. El proceso por vía húmeda en la actualidad se utiliza sólo para materiales con elevado contenido de agua como conchillas y algunas arcillas plásticas. El desarrollo de los ciclones de aire ha permitido una buena homogeneidad de la materia prima en el proceso por vía seca, con un ahorro importante de energía. Las materias primas obtenidas de una cantera por voladura, se desmenuzan para su elaboración. La primera subdivisión de la piedra puede realizarse por diversos sistemas de presión (trituradoras de mandíbula, de cono o de cilindro) o de choque (trituradoras de martillo y de impacto). El material triturado al pie de la cantera se almacena en silos. Seguidamente la materia prima es prehomogenizada. En el proceso por vía seca, se vierten los materiales, en las proporciones correctas desde las tolvas de materia prima, en una tubería especialmente diseñada donde es secado por el flujo de


aire caliente que transporta las partículas finas y deja caer las partículas gruesas en un molino de bolas, luego de molido el material es nuevamente seleccionado. Las partículas finas se conducen a un ciclón centrífugo donde son separadas del aire y transportadas a los silos de crudo. En los silos el material es nuevamente homogeneizado con aire a presión inyectado desde un cuadrante de la base mientras que los otros tres sirven de aireación. El aire a presión permite un movimiento ascendente de una columna de material y el material de las columnas lindantes se mueve lateralmente hacia el cuadrante aireado. En el proceso por vía húmeda, la materia prima triturada ingresa al molino de bolas con arcilla dispersa en agua. Como resultado de la molienda se obtiene un barro que es conducido a grandes piletas donde es agitado mecánicamente para evitar que sedimente o haya separación de las partículas. El barro es un líquido cremoso con un contenido de 35 a 45 % de agua. Existen varias piletas que contienen barros de diferente composición que son utilizados para ajustar la composición final del barro a hornear. Cocción y molienda final: El material crudo finalmente ingresa al horno en su extremo más elevado. El horno es un cilindro de 2 a 6 m de diámetro y hasta 150 metros de longitud constituido por chapa de acero revestida interiormente con material refractario, el cual gira alrededor de su eje con una velocidad de 0.75 a 1.5 rpm. El eje tiene una leve inclinación (2 a 4%) con respecto a la horizontal. En el extremo opuesto al ingreso se sitúa el quemador que utiliza como combustible gas natural, fuel oil o carbón mineral. En el interior de los hornos largos se disponen cadenas en forma de guirnaldas o cortinas para favorecer el intercambio térmico. En los últimos años, se ha optado en el proceso por vía seca por hornos cortos precedidos por intercambiadores de calor por suspensión de crudo en los gases, constituidos por ciclones dispuestos en tramos. El material avanza a lo largo del horno por efecto de la rotación y pendiente, encontrando zonas de temperaturas crecientes. Los procesos que tienen lugar en el horno son: evaporación, calcinación y clinkerización. En el primer tramo de los hornos largos o en los intercambiadores de calor se evapora el agua libre presente en la materia prima. Entre los 500 a 600 °C la arcilla pierde su agua de combinación y se activa. Luego comienza la disociación de los carbonatos en CaO, MgO y CO2, a este proceso se lo conoce como “calcinación”. Las materias primas se han disociado en sus óxidos básicos, los cuales seguidamente han de combinarse entre sí. A 1200 °C la ferrita se combina con los aluminatos de calcio dando lugar a una fase sólida que actúa como fundente. A mayores temperaturas, si el contenido de hierro en la materia prima es bajo, se formará el C3A. La formación de los silicatos de calcio se produce entre los 1200 y 1600 °C, en el último tramo del horno que se denomina “zona de clinkerización”. El producto final llamado clinker, tiene formas de esferas y se encuentra al rojo, debiendo ser enfriado inmediatamente para mantener los equilibrios alcanzados a altas temperaturas. El enfriamiento se realiza con aire frío en dispositivos de tambor rotatorio, planetario o de parrilla. El aire recogido se utiliza como aire de combustión. El clinker enfriado es de color gris oscuro y se deposita en un silo donde se estaciona durante 5 a 7 días hasta llegar a la temperatura ambiente. Seguidamente el clinker es reducido a polvo mediante una molienda en molinos de bolas de circuito cerrado. Durante este proceso se incorpora piedra de yeso que modifica el fraguado del clinker, evitando el endurecimiento inmediato del material al ponerlo posteriormente en contacto con agua. El cemento molido se estaciona en silos hasta enfriarse y se embolsa en envases de 50 kg o se vende a granel. Durante la molienda final es muy importante el control de la temperatura del material, pues puede provocar la deshidratación parcial del yeso, que al mezclarse con agua, causa el falso fraguado del cemento.


Fig. 1: Etapas en la producción del cemento portland, a través del proceso seco

(“Diseño y control de mezclas de concreto”, PCA)


Fig. 2: Proceso de producción del clinker de la materia prima al producto final (“Diseño y control de mezclas de concreto”, PCA)


Cal, CaO Hierro, Fe2O3 Sílice, SiO2 Alúmina, Al2O3 Yeso o Sulfato, CaSO4.2H2O

Desechos industriales Polvo de humo de horno de fundición

Silicato de calcio Mineral de aluminio* Anhidrita

Aragonita* Arcilla* Roca calcárea Bauxita Sulfato de calcio Calcita* Mineral de hierro* Arcilla* Roca calcárea Yeso* Polvo del horno de cemento

Costras de laminado* Ceniza volante Arcilla*

Roca calcárea Lavaduras de mineral Greda Escoria de cobre Creta Cenizas de pirita Caliza Ceniza volante* Arcilla Esquisto Loess Greda Greda Marga* Granodiorita Caliza* Lavaduras de mineral Caliza Mármol Cuarcita Loess Marga* Ceniza de arroz Lavaduras de mineral Coquilla Arena* Esquisto* Esquisto* Arenisca Escoria Escoria Esquisto* Estaurolita Escoria Basalto

Nota: Muchos subproductos industriales tienen potencial como materia prima para la producción de cemento portland. * Las fuentes más comunes

Fig. 3: Fuentes de las materias primas usadas en la fabricación del cemento (“Diseño y control de mezclas de concreto”, PCA)

Cemento portland. Composición

El clinker portland consta de cuatro componentes principales: el silicato tricálcico (C3S), el silicato bicálcico (C2S), el aluminato tricálcico (C3A) y el ferroaluminato tetracálcico (C4AF). En realidad los silicatos que se encuentran en el clinker no son compuestos puros, pues contienen pequeñas cantidades de óxidos en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos importantes sobre el ordenamiento atómico, la forma cristalina y las propiedades hidráulicas de los silicatos. La alita (forma impura del C3S) en el clinker portland, se presenta como cristales incoloros y opacos de sección prismática con contornos rectangulares o hexagonales de unos 50 μm aproximadamente. Esta fase es hidráulicamente activa, presentando una elevada velocidad de hidratación que determina la elevada resistencia inicial (figuras 4 y 5). La reacción del C3S es exotérmica y la cantidad de calor liberado total está en el orden de 500 J/g. La fase belita (forma impura de C2S) presenta cristales con un mayor brillo que los cristales de C3S y poseen un tamaño en el orden de 30 μm, son de forma redondeada y estriados. Suelen presentarse frecuentemente agrupados en zonas o de a pares y también dispersos. La velocidad de reacción del C2S es más lenta y libera menor calor total (250 J/g) que el correspondiente al C3S y confiere al cemento alta resistencia a largo plazo (figuras 4 y 5). El material intersticial (celita) está compuesto por la fase C4AF de cristales prismáticos bien formados, con tonos pardos y de gran poder reflector, y por la fase C3A de color gris oscuro con forma rectangular, prismática y amorfa. La forma prismática incluye compuestos alcalinos. La fase C4AF reacciona rápidamente con el agua y produce el fraguado (pasaje de estado fluido a sólido de la pasta) en pocos minutos. El calor liberado durante la hidratación es del orden de 420 J/g y el aporte de resistencia que proporciona al conjunto es controvertido (figuras 4 y 5). El C3A, reacciona inmediatamente con el agua y produce el fraguado instantáneo de la pasta, con una elevada liberación de calor (850 J/g). El fraguado instantáneo de este componente puede evitarse incorporando yeso (CaSO42H2O) que modifica las reacciones de hidratación y la cantidad óptima a incorporar depende del contenido de óxidos alcalinos (K2O, Na2O), de C3A y de la finura del cemento. De acuerdo a las figuras 4 y 5, el C3A produce una pequeña contribución en la resistencia hasta los 28 días, posteriormente su aporte es incierto.


Además de estos compuestos principales, el clinker portland posee eventualmente algunos constituyentes menores como son: el óxido de calcio libre, el óxido de magnesio, los óxidos alcalinos, el óxido de titanio, el óxido de manganeso y los cloruros. Algunos de los cuales pueden afectar adversamente la durabilidad del cemento portland.

Fig. 4: Resistencia a compresión de los constituyentes del cemento portland (Bogue and Lerch)

Fig. 5: Resistencia a compresión de los constituyentes del cemento portland (Mironov and Malinina)

Hidratación del cemento portland

La hidratación del cemento involucra dos mecanismos diferentes: por disolución y topoquímicamente. En el primer mecanismo los compuestos reactivos se disuelven y producen iones en solución, estos iones se combinan y dan lugar a la precipitación de compuestos hidratados. Este proceso es predominante en las primeras edades de la hidratación del cemento portland. En el segundo mecanismo, las reacciones tienen lugar directamente sobre las superficies de los componentes sin que los mismos se encuentren en disolución, a este tipo de reacción se la conoce bajo el nombre de reacción en estado sólido o topoquímica y ocurre fundamentalmente en las edades más avanzadas de la hidratación.


Como el cemento portland está constituido por varios compuestos y su hidratación involucra un gran número de reacciones simultáneas, para facilitar su comprensión puede asumirse que la hidratación de cada compuesto es independiente de los otros que se encuentran en el cemento. Esta simplificación no es totalmente válida, pues la hidratación de ciertos compuestos puede afectar la reacción de otros, pero en la mayoría de los casos es razonable. Hidratación de los silicatos (C3S y C2S) Los silicatos de calcio al ser mezclados con agua (H) se hidrolizan y producen un silicato de calcio hidratado e hidróxido de calcio (CH) proveniente del óxido de calcio liberado. Las reacciones que se producen pueden representarse aproximadamente por las ecuaciones 1 y 2: 2 C3S + 6H → C3S2H 3 + 3CH (Ec.1)

2 C2S + 4H → C3S2H 3 + CH (Ec.2) El principal producto de la hidratación es el silicato de calcio hidratado, cuya fórmula

aproximada es C3S2H 3, pues la composición del mismo depende de la edad, de la temperatura y de la relación agua – sólido. Por este motivo es muy común identificar a este compuesto como C-S-H, que no implica ninguna composición o estructura en particular. El hidrato resultante es pobremente cristalino y produce un sólido poroso que puede ser definido como un gel rígido.

El otro compuesto resultante de la hidratación de los silicatos es el hidróxido de calcio (CH). En contraste con el C-S-H, el CH es un material bien cristalizado y con una estequiometría definida (Ca(OH)2). La presencia del CH provee una alta alcalinidad (PH = 12.5) a la pasta y es responsable de la buena protección frente a la corrosión que tiene el acero embebido en el hormigón y de la baja resistencia de la pasta de cemento al ataque por ácidos.

Del análisis de la ecuación (1), se desprende que la cantidad de agua, en peso, que necesita el C3S para la hidratación es del 24% y que el 40% del total del producto de hidratación es el CH. Por su parte, el C2S necesita 21% de agua y el 18% de los productos de hidratación es CH (ecuación 2). En otras palabras, el C3S durante su hidratación libera más del doble de CH que el correspondiente a la hidratación del C2S.

El progreso de la reacción del C3S puede explicarse a través de la curva calorimétrica que se muestra en la figura 3. Cuando se mezcla el C3S con el agua se produce un período de rápida evolución del calor debido a la hidrólisis de este compuesto (estado 1), que tiene una duración de aproximadamente unos 15 minutos. A continuación se produce un período relativamente inactivo al que se denomina período durmiente (estado 2) que puede durar de 2 a 4 horas. A partir de este último, el C3S continúa hidratándose rápidamente alcanzando la velocidad máxima al final del período de aceleración (estado 3), el cual se corresponde con un máximo en la liberación de calor. A continuación comienza el período de desaceleración (estado 4) con una tasa de liberación de calor que decrece hasta alcanzar un período estacionario (estado 5).

Inmediatamente después del mezclado con el agua, los iones Ca2+ y OH pasan rápidamente a la solución y el pH alcanza en pocos minutos un valor cercano a 12. A partir de este momento, la hidrólisis continúa disminuyendo drásticamente pero sin detenerse en el período durmiente. Cuando la concentración de iones Ca2+ y OH alcanza un valor crítico, los productos de hidratación (C-S-H y CH) comienzan a cristalizar desde la solución y la reacción del C3S se acelera. El período durmiente es aparentemente causado por la necesidad de alcanzar una cierta concentración de iones en la solución antes de producir el núcleo de cristalización, a partir del cual la generación de productos de hidratación puede incrementarse. El C-S-H se desarrolla sobre la superficie de las partículas de C3S y forma una capa que cubre


los granos. Con el avance de la hidratación, el espesor de la capa hidratada continúa aumentando y forma una barrera a través de la cual el agua debe difundir para alcanzar la parte del C3S no hidratado. Las reacciones que son controladas por la difusión se desarrollan con una tasa decreciente a medida que aumenta el espesor de la capa, por este motivo la curva de calor tiende a ser asintótica.

El C2S se hidrata de manera similar al C3S, pero mucho más lentamente pues este compuesto es menos reactivo, como se muestra en la figura 7.

6

4

2

0.1 1Tiempo, horas

Cal

orde

hidr

atac

ión,

cal/g

.h Estado 5Estado 4Estado 3Estado 216

4

2

0.1 1Tiempo, horas

Cal

orde

hidr

atac

ión,

cal/g

.h Estado 5Estado 4Estado 3Estado 21

Fig. 6. Evolución del calor de hidratación del C3S (Mindess and Young).

Fig. 7. Velocidad de hidratación de los compuestos puros (Copeland and Bragg)


Hidratación del C3A

Al mezclar C3A con agua se producen instantáneamente cristales en forma de platos hexagonales. Esencialmente estos hidratos son el C4AH19 y C2AH8, los cuales son metaestables y con el transcurso del tiempo se transforman a una fase menos soluble y más estable de composición C3AH6. La reacción puede representarse aproximadamente por la ecuación 3. C3A + 6H → C3AH6 (Ec. 3) En el cemento esta transformación resulta modificada por la presencia del yeso. La reacción del C3A involucra reacciones con los iones sulfato (SO4

2-) provenientes de la disolución del yeso. En el inicio de la hidratación y a edades muy tempranas se produce un sulfoaluminato de calcio pobre en iones sulfatos. Con el incremento del tiempo de reacción y la disponibilidad de iones SO4

2-, el sulfoaluminato se enriquece en SO42- y precipita la ettringita (C3A. 3CS. 32H)

que tiene forma de agujas con sección hexagonal. La ecuación simplificada de la misma se muestra en la ecuación 4.

C3A + 3CSH2 + 26H → C3A.3CS.32H (Ec.4) La ettringita es un producto estable sólo si existe suficiente disponibilidad de iones

sulfatos. Cuando el yeso se consume antes de la hidratación total del C3A, la ettringita pierde SO4

2- y se transforma en monosulfoaluminato de calcio hidratado (C3A.CS.12H, ecuación 5) que se presenta como placas hexagonales o pseudo hexagonales.

2C3A + C3A-3CS-32H → 3 (C3A-CS-12H) (Ec.5) Ambas reacciones del C3A con el CaSO42H2O (Ec. 4 y 5), son exotérmicas. La curva

calorimétrica (figura 8) es similar a la del C3S, sólo que el calor liberado por el C3A es mucho mayor. El primer pico de la curva se completa a los 10 ó 15 minutos después que se han mezclado los componentes con el agua, la aparición del segundo pico depende de la cantidad de iones SO4

2- en la solución. La conversión a monosulfoaluminato en el cemento portland se produce generalmente entre 12 y 36 horas después de que todo el yeso se ha consumido para formar ettringita.

En la figura 9 se muestra esquemáticamente la hidratación del C3A con distintos

contenidos de yeso y la influencia de los mismos sobre las propiedades de la mezcla en estado fresco.

Caso I y II.- Si el contenido de C3A y la cantidad de iones SO4

2- en la solución es suficiente para la formación de ettringita, ésta cristaliza finamente permitiendo una buena plasticidad de la mezcla. Esta ettringita, también llamada ettringita de amasado, recristaliza más tarde en agujas que intervienen en la cohesión del material. Caso III-. Si el contenido de C3A es alto, y el contenido de yeso no alcanza para formar la ettringita de amasado, se puede producir un endurecimiento de la pasta durante el período durmiente debido a la cristalización de las ettringita de reposo, la cual consume mucho más agua que la de amasado disminuyendo la plasticidad de la muestra.


Fig. 8. Evolución del calor de hidratación del C3A (Mindess and Young)

Caso IV-. Si el contenido de yeso es bajo para el tenor de C3A de la mezcla, a la formación de ettringita de amasado se le adiciona el monosulfoaluminato y el aluminato de calcio hidratado (C4AH13) en cristales hexagonales que colmatan los poros ocasionando el fraguado instantáneo de la pasta. Caso V-. Si el contenido de yeso es muy alto en función del C3A, se pueden observar los cristales de yeso, que también ocasionan la pérdida de trabajabilidad de la pasta debido al falso fraguado.

Fig. 9. Descripción esquemática de la hidratación del C3A con distintos contenidos de CaSO42H2O (Locher et al)


Hidratación del C4AF El C4AF aparentemente tiene la misma secuencia de hidratación que la correspondiente al C3A, aunque las reacciones de este compuesto son más lentas y liberan menor cantidad de calor. El C4AF no causa el fraguado instantáneo de la pasta debido a que no se hidrata lo suficientemente rápido y la presencia de yeso retarda la hidratación del C4AF más drásticamente que la del C3A. Hidratación y desarrollo de la estructura de la pasta de cemento portland

En la sección anterior se ha analizado la hidratación de los compuestos individuales del clinker portland, sin embargo durante la hidratación del cemento portland se producen numerosas competencias e interferencias entre los distintos compuestos. El C3A y el C4AF compiten por los iones SO4

2- siendo el C3A el de mayor consumo y el primero en reaccionar. La reacción posterior del C4AF hace que la cantidad de etringita que se forme sea menor que la esperada. Por otra parte, el C3S incrementa su velocidad de reacción en presencia de yeso y también compite por los iones SO4

2-. Aparentemente, el C-S-H puede incorporar en su constitución significativas cantidades de yeso y de óxidos de hierro y de aluminio. En función de las interacciones químicas que se producen entre los distintos constituyentes del cemento portland, la hidratación del mismo resulta compleja y varía en función de la cantidad y proporciones de componentes presentes en el cemento, la finura, la temperatura, la relación agua-cemento y la edad.

Cuando el cemento es mezclado con el agua, se produce una solución sobresaturada de CH como resultado de la hidrólisis de los silicatos. La concentración de los iones SO4

2-, Ca2+ y alcalinos (Na+, K+) es elevada desde los primeros minutos de la hidratación (figura 10), a partir de la cual, se produce la precipitación del CH, la etringita y el C-S-H. La formación de la capa de C-S-H y de etringita sobre los granos de cemento, retarda la hidratación futura y justifica la existencia de un período durmiente. Este período se caracteriza por tener una relativa inactividad, una duración de una a dos horas y la pasta de cemento permanece plástica y trabajable. El final del período durmiente y el inicio del fraguado se atribuye a la ruptura de la capa de C-S-H que permite que continúe el proceso de hidratación. Como el volumen de los productos de hidratación es más del doble del volumen del cemento anhidro, con el progreso de la hidratación, los compuestos formados llenan progresivamente los espacios entre los granos de cemento y los puntos de contactos que se crean causan la rigidización de la pasta (inicio del fraguado). Con el aumento en el tiempo de hidratación, la concentración de hidratos y el aumento de puntos de contactos, restringen totalmente la movilidad de la pasta y se alcanza el fraguado final del cemento y empieza el período de endurecimiento donde la pasta comienza a ganar resistencia. El período de fraguado se caracteriza por una aceleración en la velocidad de hidratación, en tanto que el período de endurecimiento es un estado durante el cual las reacciones se desaceleran. En la figura 11 se muestra un diagrama esquemático del proceso de hidratación. Los granos de cementos se encuentran representados por las áreas negras, el CH por platos hexagonales, la etringita por agujas y C-S-H por líneas delgadas. Se puede observar que durante el período durmiente los granos de cemento se encuentran separados y que los principales productos de hidratación son el CH y la etringita. Después de unas horas, el C-S-H comienza a evidenciarse en forma de largas fibras. Transcurrido el primer día de hidratación, comienza la transformación de la etringita en monosulfoaluminato. El C-S-H continúa hidratándose y cambia su morfología de agujas largas a agujas cortas. Con el avance de la reacción, la porosidad disminuye considerablemente, debido al aumento de volumen ocasionado por los productos de hidratación.


Fig. 10. Representación esquemática de los iones en solución

durante la hidratación del cemento portland.

Fig. 11. Descripción esquemática de la hidratación y el desarrollo de la estructura de la pasta de cemento (Lorcher and Richartz)


Morfología de los productos de hidratación

La pasta de cemento, en cualquier etapa de la hidratación, está constituida por los productos de hidratación, los granos de cemento anhidro y los poros capilares que pueden o no contener agua. Los productos de hidratación son el C-S-H, el CH y pequeñas cantidades de sulfoaluminatos de calcio y eventualmente aluminatos hidratados. En la Tabla 1 se muestran las principales características de los productos de hidratación. Silicato de calcio hidratado (C-S-H) El C-S-H constituye aproximadamente tres cuartas partes del volumen de la pasta hidratada y en consecuencia es el responsable de la estabilidad volumétrica y del comportamiento mecánico y durable de la misma. De acuerdo a la morfología y aspecto observado por microscopía electrónica de barrido (SEM), el C-S-H puede clasificarse en cuatro tipos. El Tipo I tiene una morfología fibrosa, formada por láminas enrolladas sobre sí mismas y una relación molar Ca/Si entre 0.8 y 1.5. El Tipo II, se presenta en forma de panal de abeja con una relación Ca/Si entre 1.5 y 2. Los otros dos Tipos (III y IV) fueron definidos por Diamond como hidratos tardíos. El Tipo III, está formado por granos de tamaños idénticos entre sí que no sobrepasan los 0.01μm y el Tipo IV resulta ser un material muy compacto. Hidróxido de calcio (CH) Los cristales de CH ocupan entre el 20 y el 25% del volumen de la pasta hidratada, tienen una forma prismática hexagonal y crecen dentro de los poros capilares. El tamaño de estos cristales es variable (entre 10 y 100 μm) y depende del espacio disponible que tengan para crecer. Cuando se impide el libre crecimiento, los cristales de CH pueden detener su crecimiento o bien hacerlo en otra dirección. En algunas ocasiones los cristales de CH pueden envolver completamente a un grano de cemento. Morfológicamente puede encontrarse en la pasta de cemento de varias formas: como pequeños cristales equidimensionales, como grandes cristales chatos o bien como grandes cristales alargados.

Tabla 1. Resumen de los productos de hidratación del cemento portland (Midness and Young)

Compuesto Peso

específico (g / cm3)

Estado cristalino Morfología de la pasta

Dimensión típica del cristal

C-S-H 2.3 – 2.6 (*) Muy pobre Fibras delgadas 1 x 0.1 μm (Espesor <0.01 μm)

CH 2.24 Muy bueno Prismas hexagonales, no porosos 10 a 100 μm

C3A-3CS-32H aprox. 1.75 Bueno Agujas prismáticas largas y delgadas 10 x 0.5 μm

C3A-CS-12H 1.95 Pobre a bueno Placas delgadas

hexagonales, rosetas irregulares

1 x 1 x 0.1 μm


Fases etringita y monosulfoaluminatos

La etringita en el cemento portland es poco estable, debido a que no existe la cantidad suficiente de iones SO4

2- para estabilizarla en el tiempo. En consecuencia la etringita sólo suele ser detectada en las pastas jóvenes. Este hidrato cristaliza en forma de agujas con secciones hexagonales. La morfología de la etringita, también depende del espacio disponible para su cristalización y del aporte e iones para su crecimiento. En el cemento portland, generalmente se presenta como agujas delgadas creciendo dentro de los poros capilares. Con el transcurso de la hidratación, la etringita se transforma en monosulfoaluminato, estos hidratos se presentan en clastos o rosetas de formas irregulares. Los sulfoaluminatos de calcio son un constituyente menor en la pasta hidratada, y ocupa entre el 10 y 15% del volumen de la misma. En consecuencia, este hidrato no tiene gran influencia en la microestructura de la pasta, pero sí puede tenerla en sus propiedades durables. El agua en la pasta de cemento. Modelos del gel de cemento

El C-S-H, también denominado gel de cemento, es el constituyente mayoritario de la pasta de cemento hidratado, por este motivo distintos modelos que existen en la actualidad, intentan explicar la estructura y el comportamiento de este hidrato. Existen varios modelos tales como los desarrollados por Powers – Brunauer, Feldman – Sereda e Ishai. El modelo Powers – Brunauer se muestra esquemáticamente en la figura 12. Las líneas representan las partículas de gel, los espacios intersticiales entre ellas los poros de gel y los espacios de mayor tamaño a los poros capilares. Ambos tipos de poros pueden o no contener agua. El modelo de Ishai está basado en el modelo de Powers, las diferencias fundamentales entre ellos radican en la clasificación del agua en la pasta endurecida. El modelo de Ishai distingue cuatro tipos de agua (figura 13). El agua Tipo I, presente en el gel y en los poros capilares que resulta ser el agua capilar de Powers, el agua Tipo II, que se encuentra adsorbida sobre la superficie del C-S-H en láminas de una o dos moléculas, el agua Tipo III, adsorbida entre cristales adyacentes y unidas más fuertemente que el agua Tipo I y II, y el agua intracristalina o zeolítica (Tipo IV) que se encuentra unida fuertemente al sólido y no puede ser removida durante el secado normal. Este último tipo de agua no ha sido considerada en el modelo de Powers. La figura 14 muestra un diagrama esquemático del modelo de gel de cemento propuesto por Feldman-Sereda. En este modelo, las partículas de gel se describen como hojas irregulares las cuales pueden unirse para constituir espacios entre capas como en los minerales arcillosos pero no en una forma regular y ordenada. El agua retenida en el gel es el agua entre láminas o el agua físicamente adsorbida. Las uniones entre capas son consideradas como contacto sólido a sólido, las cuales se producen durante el secado de la muestra y se rompen con el posterior humedecimiento. De acuerdo con este modelo el agua puede moverse reversiblemente. Esencialmente, los distintos modelos sugeridos difieren en la clasificación e importancia del agua dentro de la pasta. En particular, esta diferencia se refleja en la discusión del agua entre láminas. La diferencia en la clasificación no sólo está limitada a distintas definiciones y terminologías, sino también en valores asignados a algunas propiedades de la pasta como son la superficie específica y la densidad.


Fig. 12. Distribución esquemática de la estructura del gel de cemento (Powers)

Fig. 13. Descripción esquemática de la estructura de gel de cemento (Ishai)

Fig. 14. Microestructura del gel de cemento (Feldman and Sereda)


Tabla 2. Clasificación de la distribución de tamaños de poros en la pasta de cemento hidratada (Mindess and Young)

Designación Diámetro Descripción Rol del agua

Poros capilares

10 – 0.05 μm

50 – 10 nm

Capilares grandes

Capilares medianos

Agua de volumen. Genera moderada fuerza de tensión superficial. Genera moderada fuerza de tensión superficial.

Poros del gel

10 – 2.5 nm

2.5 – 0.5 nm

< 0.5 nm

Pequeños capilares

Microporos

Microporos entre láminas

Genera elevada fuerza de tensión superficial. Agua fuertemente adsorbida, no forma menisco. Agua estructural involucrada en uniones

Determinación del grado de hidratación y la relación gel-espacio en la pasta hidratada

A partir del modelo de Powers, es posible estimar los volúmenes de las distintas fases que se encuentran en la pasta de cemento en cualquier etapa de su hidratación y su correspondiente relación gel-espacio. No existe una técnica para determinar como se distribuye el agua dentro de la pasta de cemento, tampoco es fácil predecir las divisiones de los distintos tipos de agua a partir de consideraciones teóricas, puesto que la energía de enlace del agua combinada en el hidrato es del mismo orden de magnitud que la energía de enlace del agua adsorbida. Cuando se desea aplicar el modelo de Powers a una pasta de cemento se deben utilizar algunas simplificaciones. En la práctica, se realiza una división arbitraria del agua contenida en la pasta considerando que el agua evaporable es la que se pierde cuando la pasta es secada a una temperatura de 105 °C, y el agua no evaporable es la que se pierde cuando el secado se realiza a 1000 °C. Pero, el agua evaporable también contiene parte del agua estructural (agua combinada) del sulfoaluminato de calcio hidratado y del aluminato hexagonal hidratado, si bien estos compuestos no están considerados dentro del modelo de Powers producen modificaciones en los contenidos de agua que se evalúan. Resumiendo, y a los efectos de investigación, el agua presente en la pasta de cemento se puede clasificar en agua evaporable y agua no evaporable, considerando que dentro de esta última se encuentra casi toda el agua químicamente combinada. El cálculo de los distintos volúmenes de las fases y la relación gel-espacio se basan en las siguientes premisas obtenidas empíricamente: 1) El volumen total de la pasta permanece constante durante la hidratación y es igual a la suma

de los volúmenes absolutos de cemento anhidro (C0/3.13) y agua de mezclado (W0). Durante la hidratación, el volumen de la pasta está constituido por: los granos de cemento sin hidratar ((1-α) C0/3.13, donde α es el grado de hidratación), el volumen de productos sólidos de hidratación (Vh), el volumen de poros de gel (Wg) y el volumen de poros capilares (Vc). En la ecuación 8 se muestra dicha premisa y en la figura 15 se ejemplifica esquemáticamente la constancia de volumen durante la hidratación del cemento, para una relación agua-cemento constante y diferentes grados de hidratación (α).

2) El agua necesaria para la hidratación completa de un gramo de cemento o el agua

combinada (Wn) es 0.24 g (ecuación 9).


3) El volumen sólido ocupado por los productos de hidratación (Vh) es mayor que el cemento anhidro, sin embargo es menor que la suma de los volúmenes de cemento anhidro más el agua combinada en aproximadamente 25.4% del agua químicamente combinada (ecuación 10).

4) El gel de cemento (Wg) posee una porosidad característica de 28% (ecuación 11).

Estas premisas conducen a las siguientes ecuaciones para un grado de hidratación α.

W0 + C0/3.13 = (1 – α)C0/3.13 + Vh + Wg + Vc (Ec. 8)

Wn = 0.24 α C0 (Ec. 9)

Vh = αC0/3.13 + 0.24 αC0 – 0.254 (0.24 αC0) → Vh = 0.498 αC0 (Ec.10)

Wg / (Wg + Vh) = 0.28 Wg = 0.194 αC0 (Ec.11)

En función de estas premisas, se define la relación gel – espacio (X). Esta relación mide la concentración de productos de hidratación en el espacio disponible para los mismos. En consecuencia, la relación gel – espacio es el cociente del volumen de productos de hidratación y la suma del volumen del cemento hidratado más el agua (ecuación 12).

Vh + Wg 0.692 α X = X = (Ec.12) 0.319C0 + W0 0.319 + W0 / C0

Fig. 15. Volumen de los compuestos en la pasta de cemento a diferentes grados de hidratación

(Mindess and Young)


Factores que modifican la hidratación del cemento portland y su efecto sobre la resistencia La velocidad de hidratación del cemento portland depende de muchos factores, a su vez las propiedades de las pastas en estado endurecido dependen en gran medida del desarrollo de la hidratación, en consecuencia todos los factores que afecten a ésta, tendrán una influencia decisiva sobre el comportamiento de la pasta. Entre los factores más importantes que afectan la velocidad de hidratación se encuentran: la edad, la composición y finura del cemento, la relación agua – cemento y las condiciones de curado (humedad y temperatura). Edad de la pasta La hidratación del cemento portland es un proceso que prospera con el paso del tiempo en presencia de agua. En las primeras edades, con excepción del período durmiente, la velocidad de hidratación presenta una tasa elevada, que decrece con el tiempo y que puede llegar a detenerse. Este comportamiento se debe a la formación de una capa densa de C-S-H alrededor de los granos de cemento. En presencia de esta capa, para continuar la hidratación es necesaria la difusión del agua a través de la misma. La velocidad de difusión es controlada, entre otros factores, por el espesor de la capa y a medida que éste aumenta, la velocidad de difusión disminuye. Los cálculos teóricos han determinado que cuando el espesor de la capa alcanza los 25 μm, la hidratación se detiene. La figura 16 muestra un esquema del grado de hidratación de la pasta en función de la edad. A medida que aumenta el grado de hidratación de la pasta, se incrementa la resistencia mecánica de la misma, en consecuencia la resistencia tiene el mismo comportamiento que el grado de hidratación con respecto a la edad. Composición del cemento De acuerdo a distintas fuentes bibliográficas la velocidad de hidratación de los componentes principales del cemento portland son diferentes. En consecuencia, un cemento de elevado contenido de C3S presentará un mayor grado de hidratación en las primeras edades que un cemento de bajo contenido de C3S. A edades posteriores, la velocidad de hidratación queda determinada por la velocidad de difusión del agua, en consecuencia, es de esperar que todos los compuestos del cemento tengan una velocidad de hidratación similar. La resistencia a compresión en función de la edad para pastas con alto y bajo contenido de C3S se muestra en la figura 17, de ella se desprenden las mismas conclusiones que para la velocidad de hidratación: existe una gran diferencia en la resistencia a las primeras edades y este efecto es prácticamente despreciable al final de la hidratación.

En términos de composición del cemento portland, otro factor que afecta la hidratación es el contenido de yeso. El aumento en el contenido de yeso acelera significativamente la velocidad de reacción del cemento, pero también es fuertemente disminuida cuando su contenido supera el óptimo. Como consecuencia del aumento de la hidratación, la resistencia también se incrementa hasta alcanzar el contenido óptimo de yeso. La razón de este aumento no es totalmente conocida, pues el yeso no parece tener influencia sobre la densidad de los productos formados ni producir un cambio en la distribución de poros.


Fig. 16. Grado de hidratación de la pasta en función de la

edad (Soroka) Fig. 17. Efecto del contenido de C3S sobre la

resistencia a compresión (Woods et al)

Finura del cemento

El grado de hidratación, fundamentalmente a las primeras edades, se incrementa con el aumento de la finura del cemento portland debido a la mayor área superficial de partículas que se ponen en contacto con el agua. Además, Powers ha demostrado que un grano de cemento sólo puede hidratarse completamente cuando su tamaño es menor a 50 μm, pues la difusión del agua a través de la capa de C-S-H, sólo se produce hasta que el espesor es menor a 25 μm. El incremento de la finura del cemento, también aumenta la resistencia en las primeras edades, pero para las edades más avanzadas su efecto es casi nulo. Los cementos con granos finos se hidratan más rápido que los cementos de granos gruesos y como resultado se obtienen pastas con baja porosidad y alta resistencia a flexión y a compresión, cuando se comparan a igual relación agua – cemento. Sin embargo, si la comparación se realiza a igual fluidez, los cementos más finos tienen un mayor consumo de agua que los cementos más gruesos. En consecuencia el tamaño óptimo de grano será el que determine las mejores propiedades físicas y el menor consumo de agua. Relación agua/cemento

Los productos de hidratación ocupan un volumen menor que el volumen del cemento anhidro más el agua, en consecuencia, el avance de la hidratación en condiciones normales dependerá del espacio disponible en la pasta para alojar los hidratos. La relación necesaria para hidratar completamente una pasta sellada (sin intercambio de agua con el medio) es 0.42, en tanto que si la muestra puede intercambiar agua del medio es de 0.38. En consecuencia, dependiendo de las condiciones de curado de la muestra, habrá una relación agua/cemento mínima que deberá superarse para producir la hidratación total del cemento. En la figura 18 se muestra la composición de la pasta de cemento con distintos grados de hidratación y diferentes relaciones agua/cemento. En la misma se puede observar que para relaciones agua/cemento menor a 0.38, siempre quedará parte del cemento sin hidratar y para relaciones mayores, se producirá la hidratación total. Pero a medida que aumenta la relación agua/cemento, también se incrementa el volumen de poros capilares en la pasta. En consecuencia, la resistencia de la pasta aumentará con la disminución de la relación agua/ cemento y de la porosidad (figuras 19).


Figura 18. Composición de la pasta de cemento en diferentes estados de la hidratación (Mindess and Young)

Fig. 19. Relación entre la porosidad y la relación agua – cemento (Soroka)

Temperatura

La temperatura óptima de curado a edades tempranas para lograr la mayor resistencia, depende del tipo de cemento. Para el cemento portland normal, esta temperatura se encuentra en el orden de 13 °C, en tanto que para el cemento de alta resistencia inicial es de 4 °C. En general, una temperatura por debajo de 0 °C a muy temprana edad puede ocasionar serios problemas a la pasta. Si la pasta aún se encuentra en estado fresco, las reacciones de hidratación pueden detenerse debido al congelamiento del agua dentro de la masa. Consecuentemente mientras la temperatura sea baja el proceso de fraguado del cemento quedará detenido, y una eventual elevación de la misma hará que las reacciones continúen sin producir fisuración en la pasta a causa de la formación del hielo. Pero, si la congelación ocurre


después de que la pasta ha fraguado y antes que logre una resistencia apropiada, la formación de hielo causará fisuración y pérdida irreparable de la resistencia. Por otra parte, el aumento en la temperatura de exposición de una pasta de cemento incrementa la velocidad de reacción durante las primeras horas (figura 20). El efecto de la temperatura sobre la hidratación a edades avanzadas es prácticamente despreciable. Cuando la temperatura de curado resulta muy elevada en los primeros momentos de hidratación, la velocidad de reacción posterior puede disminuir. Esto puede deberse a que una rápida hidratación inicial forma productos con una estructura más pobre, más porosa y no uniformemente distribuida dentro de los espacios intersticiales de la pasta (figura 21). Si se comparan dos muestras que han alcanzado el mismo grado de hidratación a distintas temperaturas, la muestra que ha estado sometida a alta temperatura podrá tener productos de hidratación más porosos y una relación gel – espacio menor, lo que ocasionará una disminución de la resistencia.

Fig. 20. Efecto de la temperatura sobre el grado de

hidratación (Odler and Gebauer) Fig. 21. Influencia de la temperatura en la

resistencia a compresión a distintas edades (Verbeck and Hemuth)

Adiciones minerales al cemento portland

La inclusión de adiciones minerales durante la molienda con el clinker portland para obtener cementos mezclas, es una práctica que se realiza desde hace varios años por razones de índole tecnológicas. Algunas adiciones disminuyen el calor de hidratación, aumentan la resistencia frente al ataque por sulfatos, disminuyen la permeabilidad y los efectos adversos de la reacción álcali – agregado. Otras aumentan el grado de hidratación del cemento, incrementando la resistencia fundamentalmente a las primeras edades. Sin embargo, la gran mayoría de las adiciones que se utilizan, si bien aumentan el grado de hidratación, la resistencia inicial es menor que en el cemento sin adición. Este efecto tiende a revertirse a medida que transcurre el tiempo de hidratación. En la actualidad, la producción de cementos mezclas también está asociada con la disminución de energía, con la conservación de recursos naturales y con el cuidado del medio ambiente.


Clasificación de las adiciones Las adiciones que se incorporan al cemento portland, según su origen se pueden clasificar en naturales y artificiales. Las adiciones naturales pueden requerir diversos procesos para ser utilizadas, tales como: trituración, clasificación y separación en distintos tamaños de partículas y en algunos casos activación térmica. Por su parte, las adiciones artificiales provienen de desechos de otras industrias y pueden o no requerir un proceso posterior para ser utilizadas como adiciones minerales al cemento. Algunas adiciones son puzolánicas (hidráulicamente activas), otras cementantes (hidráulicamente latentes), también existen puzolánicas y cementantes o bien inertes (hidráulicamente inactivas). En la Tabla 3 se muestra la clasificación, composición química y mineralógica de algunas de las principales adiciones minerales que se pueden incorporar al cemento portland. Adiciones puzolánicas Las adiciones puzolánicas son materiales silicoaluminosos que se presentan en forma amorfa o pobremente cristalina, molidos muy finos que, en presencia de humedad y a temperatura ambiente, reaccionan químicamente con el CH liberado durante la hidratación de los silicatos, para formar compuestos con propiedades cementantes. Cuando mayor sea el contenido de sílice amorfa y menor la proporción de impurezas cristalinas más reactiva resultará la adición. La expresión simplificada de esta reacción se muestra en la ecuación 14.

C3S ó C2S + H → C-S-H + CH

Puzolana + CH + H → C-S-H (Ec. 14)

Las características más importantes de la reacción puzolánica son: 1.- Es una reacción lenta, en consecuencia la ganancia de resistencia de la pasta es diferida en el tiempo, debido a esto para que la reacción prospere se hace necesario extender el tiempo de curado. 2.- Es una reacción en la cual se consume el CH, en consecuencia se permite el reemplazo de cristales grandes y orientados de CH, por pequeños, numerosos y poco orientados de C-S-H. A este efecto se lo denomina “refinamiento de grano”. 3.- Los productos resultantes de la reacción precipitan en los poros capilares, transformándolos en microporos discontinuos (segmentación de poros), y en consecuencia disminuyen la permeabilidad del sistema. La liberación de calor de hidratación es muy baja debido a que la reacción es lenta, y depende del porcentaje de reemplazo de clinker por adiciones. Si bien los materiales puzolánicos se incorporan finamente divididos al cemento y esto produce una aceleración de la hidratación, el efecto de dilución inicial que sufre el cemento sumado a la tardía reacción de los materiales puzolánicos, hace que la ganancia de resistencia en las primeras edades sea menor que a edades más avanzadas. Puzolanas Naturales

Los acueductos y puentes han sido construidos en Roma utilizando tobas zeolíticas encontradas al pie del Monte Vesubio, en la región de Puzzuoli. Cuando en España, Francia, Alemania y otros países, se encontraron materiales volcánicos similares, capaces de reaccionar con la cal se empleó el termino “puzolana” para identificarlos, independientemente de su origen geológico. Antes del advenimiento del cemento portland, las mezclas de cal-puzolana


constituyeron el primer material cementíceo para la construcción de diversos tipos de estructuras. Basándose en aquellos materiales que las constituyen, capaces de reaccionar con la cal, es posible clasificarlas en cuatro categorías: vidrio volcánico inalterado, tobas volcánicas, arcillas y pizarras calcinadas y sílice opalina. Vidrio volcánico: En estas puzolanas el principal constituyente que reacciona con la cal es el vidrio sílico-aluminoso inalterado. A modo de ejemplo, se puede citar a las puzolanas de Santorín (Grecia), Bacoli (Italia), Shirasu (Japón) y Jalisco (México). Análisis mineralógicos, indican que este tipo de puzolanas están constituidas por vidrio volcánico -80 a 90 %- y pequeñas cantidades -20 a 10 %- de minerales cristalinos no reactivos -cuarzo, feldespatos-. Su elevada reactividad se debe, en parte, a su gran área superficial; determinaciones mediante técnicas de adsorción de nitrógeno arrojan valores que van desde 3800 hasta 15.500 m2/kg. Tobas volcánicas: La alteración del vidrio volcánico bajo condiciones hidrotermales da lugar a la formación de minerales zeolíticos de composición química muy variable, que responden a la fórmula: (R2Ca)O.A12O3,4Si02xH2O, donde R corresponde a Na o K. Las tobas volcánicas son el producto de la acción hidrotermal sobre las cenizas volcánicas y se caracterizan por una textura dura y compacta. La reactividad de los minerales zeolíticos con la cal, es atribuida a un proceso de cambio de base entre el Ca y los álcalis presentes en la puzolana. Los compuestos zeolíticos comúnmente encontrados en el vidrio volcánico alterado son: analcita, chabazita, herschellita y phillipsita. Arcillas o pizarras calcinadas: Debido a transformaciones hidrotermales y a alteraciones producidas por los agentes atmosféricos, muchas de las puzolanas volcánicas cambian a arcillas. El vidrio volcánico inalterado y las tobas reaccionan con la cal sin previa calcinación; mientras que aquellos materiales naturales ricos en arcillas requieren de tratamientos térmicos. Cuando son calentados a temperaturas de 600-1000 ºC, los minerales arcillosos se descomponen formando estructuras amorfas y desordenadas de silicoaluminatos que reaccionan con la cal a temperatura ambiente. Las arcillas y pizarras presentan grandes cantidades de minerales cristalinos -cuarzo y feldespato- y no siempre su calcinación asegura una buena reactividad con la cal.

Aquellos materiales naturales que poseen elevadas cantidades de caolinita y/o montmorillonita, requieren ser calcinados a temperaturas de 540-9800C para presentar buena actividad puzolánica. Pero la montmorillonita, que posee una gran cantidad de Na+ debe dejarse de lado, cuando los agregados propuestos para realizar el hormigón son sensibles a la reacción álcali-agregado. Arcillas que contienen illitas y pizarras que poseen elevadas cantidades de vermiculita, clorita y mica, no presentan buena actividad puzolánica cuando la temperatura de calcinación es menor a los 1.100 ºC. Sílice opalina: Dentro de este grupo podernos ubicar a las tierras diatomeas, las cuales poseen un origen orgánico. Están constituidas por compuestos de sílice no cristalina provenientes de esqueletos de algas acuáticas microscópicas. Los materiales opalinos presentan alta reactividad con la cal, pero su elevada área superficial da lugar a un gran requerimiento de agua cuando son incorporados en las mezclas. A veces presentan materiales arcillosos, de modo que para mejorar su comportamiento puzolánico, a menudo es necesario calcinarlas.


Tabla 3. Adiciones minerales al cemento portland

Tipo Procedencia Composición química y

mineralógica Características del Material

Escoria granulada de alto horno

(Adición cementante)

Producto de desecho de la fabricación del acero.

Mayoritariamente es vidrio silicatado conteniendo principalmente sílice, calcio, magnesio y aluminio.

Sin procesar posee el tamaño de la arena y un contenido de humedad de 10 a 15%. Para ser utilizado debe ser secado y molido. La textura es rugosa.

Ceniza volante con alto contenido de calcio (Adición cementante y

puzolánica)

Producto de desecho de estaciones de fuerza motriz que funcionan a base de carbón.

Mayoritariamente es vidrio silicatado conteniendo principalmente calcio, magnesio, aluminio y álcalis Puede poseer una pequeña parte de materia cristalina como: cuarzo, C3A, cal y periclasa.

Las partículas son esféricas con superficies lisas y por lo menos de la misma finura del cemento.

Ceniza volante con bajo contenido de calcio (Adición puzolánica)

Mayoritariamente es vidrio silicatado conteniendo aluminio, hierro y álcalis. Puede poseer una pequeña parte de materia cristalina como: cuarzo, magnetita, sillimanita, hematita y mulita.

Puzolanas naturales Vidrio volcánico. Tobas

volcánicas. Tierra diatomeas. (Adición puzolánica)

Proceden de rocas volcánicas, con excepción de las tierras diatomeas que tienen un origen orgánico.

Están compuestos por materiales silíceos o silico-aluminosos con un alto contenido de sílice amorfa. Como impurezas pueden contener cuarzo, feldespato y mica.

Para su utilización deben ser seleccionados, secados, homogeneizados y pulverizados. Son partículas de textura rugosa.

Puzolanas artificiales Arcillas calcinadas Escoria

no ferrosa (Adición puzolánica)

Pueden tener una procedencia natural o bien ser el desecho de alguna industria.

La arcilla calcinada es un material silico- aluminoso con estructura amorfa. Como materia cristalina puede contener cuarzo y feldespato. De acuerdo a su procedencia y al proceso de enfriamiento, pueden presentar contenidos de materia no cristalina y cal variable.

La arcilla debe ser calcinada para obtener un material puzolánico. La escoria no ferrosa debe ser adecuadamente enfriada para poder lograr la mayor cantidad de material vítreo.

Humos de sílice Ceniza de cáscara de arroz (Adición puzolánica rápida)

Los humos de sílice son el producto de desecho en la producción de silíceo y aleaciones de ferrosilíceo. La cáscara de arroz, también es un desecho industrial.

Consisten esencialmente en sílice pura no cristalina. Están constituidas por sílice amorfa.

El humo de sílice es extremadamente fino Las partículas son esféricas con un diámetro promedio de 0.1μm. La cáscara de arroz debe ser calcinada en forma controlada para obtener la ceniza con propiedades adecuadas. Las partículas son celulares con una alta finura.

Filler calcáreo Calizas sedimentarias Caliza metamórficas

Coralinas y secundarias Creta y Carbonatitas

(Adición hidráulicamente inactiva o inerte)

Proceden de rocas sedimentarias o metamórficas.

Los materiales calcáreos están compuestos fundamentalmente por carbonato de calcio bajo la forma de calcita y como impurezas, cuarzo, minerales arcillosos, feldespatos, pirita y anhidrita.

Deben ser correctamente seleccionadas para ser utilizadas como adición. Generalmente tienen una finura de por lo menos de la del cemento. Las partículas presentan formas más o menos biseladas y las calizas más duras tienden a aglomerarse.


Subproductos industriales

Son los que se obtienen como desechos de otras industrias. A veces requieren ser procesados -secados y pulverizados- . A este grupo pertenecen las cenizas volantes, la escoria granulada de alto horno, los humos de sílice (silica fume) y las cenizas de cáscara de arroz.

Cenizas volantes: Es uno de los productos resultantes de la combustión del carbón pulverizado en las usinas termoeléctricas. En la Argentina pueden obtenerse en las centrales ubicadas en Puerto Nuevo (Capital Federal) y San Nicolás (Bs. As). En las usinas, el carbón pasa por zonas de altas temperaturas, donde la materia volátil se desprende y el carbón se quema, permaneciendo en él ciertas impurezas minerales (cuarzo y feldespato) que sólo se funden a temperaturas muy altas. La materia fundida es rápidamente transportada a zonas de bajas temperaturas donde solidifica en forma de partículas esféricas. Parte de ellas se aglomeran y se depositan en el fondo, son las “cenizas de fondo”: mientras que la mayoría son arrastradas por la corriente gaseosa, dando lugar a las “cenizas volantes”, recogidas mediante electrofiltros. Desde el punto de vista mineralógico y de sus propiedades, las cenizas volantes pueden dividirse en dos categorías: cenizas volantes de alto contenido de óxido de calcio y cenizas volantes de bajo contenido de óxido de calcio. Ceniza votante de bajo contenido de óxido de calcio (Clase F- ASTM C-618,): Presentan menos del 10% de CaO. Resultan de la combustión de la antracita y carbón bituminoso. Ceniza volante de alto contenido de óxido de calcio (Clase C-ASTM C-618): Presentan del 15 al 35 % de CaO. Resultan de la combustión de la ignita y carbón subbituminoso. Poseen menos hierro y carbón sin quemar que las primeras. Desarrollan propiedades puzolánicas y cementíceas.

La composición química de las cenizas volante dependen del tipo y cantidad de materia incombustible presente en el carbón, En general poseen del 60 al 85 % de vidrio sílico-aluminoso del 10 al 30% de compuestos cristalinos -sillimanita, mullita, hematita, cuarzo, magnetita- y no más del 10% de carbón sin quemar. A medida que aumente el contenido de carbón en las cenizas volantes se incrementa el requerimiento de agua; debido a que el carbón se encuentra en forma de partículas celulares. Observaciones en microscopio electrónico indican que las cenizas volantes consisten en esferas de vidrio cuyo tamaño varía de 1 a 100 µm. En las cenizas volantes de bajo contenido de óxido de calcio las esferas aparecen limpias; mientras que en las de alto contenido de óxido de calcio, álcalis y sulfatos se depositan sobre la superficie de las esferas mostrándose menos nítidas. Humos de sílice (siIica fume): Es un subproducto que se obtiene en las industrias que elaboran metales silíceos o aleaciones ferro-silíceas. En la reducción del cuarzo a sílice, a elevadas temperaturas, se produce SiO gaseoso, el cual es transportado a zonas de menor temperatura; en contacto con el aire se oxida y condensa en forma de pequeñas esferas de sílice amorfa. Este material de elevada superficie especifica -20.000 a 23.000 m2/kg-, es recogido mediante el filtrado de los gases en filtros de bolsa. Los humos de sílice se comportan como una puzolana muy activa y como un excelente filler. Sus partículas esféricas presentan un diámetro promedio de 0.1 µm. Debido a su elevada finura, presentan problemas en el manipuleo; los humos de sílice generalmente se comercializan en forma de polvo humectado -mezclado con 50% de agua en peso-. Las fábricas argentinas que elaboran metales ferro-silíceos, no cuentan con filtros que permitan recoger los humos de sílice. Se emplean en los hormigones de alta resistencia, entre un 5 y 10 % en peso del cemento.


Ceniza de cáscara de arroz: Durante la industrialización del arroz se obtienen grandes cantidades de cáscara de arroz, la cual si es quemada en forma controlada da lugar a las cenizas de cáscara de arroz, con características altamente puzolánicas. Las cenizas obtenidas de la combustión común no son reactivas. La ceniza de cáscara de arroz está constituida por partículas celulares de sílice amorfa, de elevada área superficial -50.000 a 60.000 m2/kg-. Entre los subproductos industriales es el más reactivo, manifestando su acción en el primer día de hidratación del cemento portland. Pero es el menos utilizado debido al bajo volumen disponible, ya que sólo el 20 % en peso de la cáscara de arroz que se quema se transforma en ceniza.

Adiciones cementantes o autopuzolánicas El progreso de la hidratación del cemento portland con adiciones cementantes, autopuzolánicas o hidráulicamente latentes, como la escoria granulada de alto horno, no se conoce con claridad. Los componentes del cemento se hidratan normalmente, y se ha comprobado que el CH proporciona una correcta alcalinidad para provocar el inicio de la hidratación de la escoria. Sin embargo, la hidratación posterior de la escoria es directa y no depende de la combinación con el CH. La resistencia del cemento con escoria de alto horno, dependiendo del porcentaje de escoria incorporado, suele ser menor durante los primeros 28 días que el cemento sin adición. En la figura 22 se muestra la resistencia a compresión en función de la edad de cemento con distintos porcentajes de escoria. A partir de la misma se puede observar que la mayoría de las muestras con adición no alcanzan la resistencia del patrón en las primeras edades. Este comportamiento tiende a revertirse a edades más avanzadas en las muestras con hasta 50% de adición. Por otra parte, el calor de hidratación disminuye a medida que aumenta el contenido de escoria en el cemento, por lo que este tipo de cementos resulta apropiado para las construcciones masivas. Sin embargo, en clima frío el bajo calor de hidratación junto con el moderado desarrollo de resistencia, puede producir daños por congelación.

Fig. 22. Resistencia a compresión en función del tiempo de pastas con escoria (Rahhal y Batic)


Escoria granulada de alto horno (EGAH): Este desecho industrial surge en la reducción del mineral de hierro. Si la escoria se enfría lentamente, sus componentes se presentan en forma cristalina y no reaccionan -o lo hacen muy lentamente- con agua a temperatura ambiente. Cuando la escoria se enfría rápidamente, con agua o combinación de agua y aire, la mayor parte de la cal, magnesio, sílice, y alúmina adoptan un estado no cristalino o vítreo. El producto enfriado con agua se granula en forma similar a la arena y se denomina “escoria granulada”; cuando se la enfría con agua y aire se la llama “escoria pelletizada”. Normalmente la primera contiene mayor proporción de fase vítrea. No obstante, cuando son finamente molidas -superficie específica de 100 a 500 m2/kg-, ambas desarrollan propiedades cementíceas. Los principales parámetros que afectan la actividad hidráulica de la escoria son: grado de vitrificación, composición química y mineralógica, finura y activación del vidrio presente en la escoria. El grado de vitrificación varía con la composición química, temperatura de iniciación del enfriamiento y método de enfriado. El contenido vítreo es esencial para una buena reactividad, aunque un alto contenido vítreo no siempre garantiza una elevada actividad de la escoria. La composición química no sólo afecta el grado de vitrificación -para un cierto método de enfriado-, sino que también influye en la solubilidad y reactividad del vidrio durante la hidratación. A temperatura ambiente, el vidrio con alto contenido de sílice, no es fácilmente atacado por agua o soluciones alcalinas; a medida que la relación C/S aumenta, el vidrio es más soluble. Pero el incremento de la relación C/S aumenta las dificultades en la vitrificación de la escoria. La actividad hidráulica de la escoria, generalmente aumenta con el incremento del contenido de CaO y Al2O3 y con la disminución de SiO2 y MgO. Distintos módulos de óxidos han sido propuestos para evaluar la actividad de la escoria. Hasta el presente, la predicción del desarrollo de resistencia a través de la composición química resulta insatisfactoria. Los principales compuestos cristalinos encontrados en la escena son: melilita, akermanita y gelinita; generalmente inertes en presencia de agua, debido a la regular orientación de los átomos en sus estructuras cristalinas. Como en todo material cementíceo, la reactividad de la escoria es proporcional a su área superficial. La escoria pelletizada, debido a su estructura porosa, requiere de menor energía de molienda que la escoria granulada. Para ser utilizada como adición, la escoria debe molerse a un tamaño de partículas inferior a los 45 µm, lo cual se consigue con superficies específicas del orden de los 400 a 500 m2/Kg.

En presencia de agua, la escoria comienza a liberar CaO, pero la reacción entre el H20-Al2O3SiO2, forma un gel ácido impermeable que rodea al grano de escoria impidiendo que la hidratación avance. En presencia de CH, yeso o ciertos compuestos alcalinos, el gel se disuelve permitiendo que la escoria continúe hidratándose. El cemento Pórtland al hidratarse aporta el calcio, los sulfatos y los álcalis necesarios para activar la escoria. Por efecto de la molienda, las partículas de escoria son angulosas e irregulares, con textura superficial rugosa.

Escoria de acero: La escoria de acería es un subproducto que se obtiene en la conversión del hierro al acero. Su composición química presenta más hierro y menos alúmina y sílice que la escoria granulada de alto horno. Cuando son lentamente enfriadas al aire, no son reactivas; pero enfriadas en agua y finamente molidas desarrollan propiedades puzolánicas y cementíceas. Escorias no ferrosas: En la producción del metal de cobre, níquel y plomo, se obtienen escorias con altos porcentajes de hierro -40 al 60%-. Las escorias de cobre y níquel presentan bajo contenido de cal, enfriadas en agua y molidas, desarrollan actividad puzolánica. Las escorias de plomo poseen del 10 al 20 % de CaO, manifestando actividad puzolánica y cementícea. Debido a la gran variabilidad en su composición, son poco utilizadas como adiciones activas en el hormigón. Las escorias no ferrosas enfriadas al aire presentan menor contenido vítreo -40%- que las enfriadas con agua -90%-. No obstante cuando las escorias enfriadas al aire son finamente molidas -700 m2/kg de superficie específica-, presentan mayor actividad que las


enfriadas con agua. Esto pone de manifiesto que la actividad puzolánica está más vinculada a la finura de la escoria que a su contenido vítreo. La baja resistencia a compresión registrada a edad temprana, puede mejorarse mediante la utilización de activadores alcalinos.

Adiciones hidráulicamente inactivas (Fillers)

Los filler son materiales inorgánicos minerales, naturales o artificiales, especialmente seleccionados que, mediante adecuada preparación, teniendo en cuenta su distribución de tamaños de partícula, mejoran las propiedades físicas del cemento, tales como la trabajabilidad o la retención de agua. Pueden ser inertes o poseer propiedades ligeramente hidráulicas o puzolánicas. No aumentarán sensiblemente la demanda de agua del cemento, no disminuirán la resistencia del hormigón o del mortero ante cualquier deterioro, ni la protección de las armaduras frente a la corrosión (ENV 197-1). Las adiciones “inertes”, generalmente aceleran el proceso de hidratación, pueden formar nuevos hidratos, pero se desconoce si estos productos producen por sí mismos un aumento de la resistencia. El efecto que producen en el cemento es principalmente físico y el nombre de filler inerte es en raras ocasiones adecuado, pues su sola presencia incrementa el grado de hidratación de los compuestos principales del clinker. Dentro de este grupo de adiciones se puede incluir la piedra caliza molida. La adición de materiales calcáreos al cemento puede tener diversas funciones: completar la curva granulométrica de los cementos con deficiencia de finos, obstruir los poros capilares e interactuar en el proceso de hidratación. Teniendo en cuenta que este material no presenta actividad puzolánica por lo que no involucra la formación de silicato de calcio hidratado, el efecto de los fillers es mayoritariamente físico. Ellos actúan como un relleno entre los granos del clinker y aceleran la hidratación del C3S y de la fase aluminato.

Según IRAM 1593, son materiales de naturaleza inorgánica y origen mineral carbonatado, compuesto principalmente por carbonato de calcio, que molido conjuntamente con el clinker de cemento portland, inciden favorablemente en las propiedades y comportamiento de los morteros y hormigones, tanto en estado fresco como endurecido. El efecto beneficioso del filler depende del porcentaje que se incorpora, pues a medida que éste aumenta, el efecto físico empieza a perder importancia y el efecto de dilución puede afectar adversamente la resistencia de la pasta.

Clasificación de los cementos Hasta ahora hemos considerado al cemento Pórtland como material genérico. Sin embargo, cuando los cementos con diferentes composiciones químicas se hidratan, pueden tener propiedades distintas. Es posible, por lo tanto, seleccionar mezclas de materias primas para la producción de varios tipos de cementos, según las propiedades requeridas. De hecho, varios tipos de cementos Pórtland están disponibles comercialmente y además, pueden producirse cementos especiales para usos específicos. En nuestro país se han clasificado en Cemento de uso general (IRAM 50000) y Cemento de características especiales (IRAM 50001) y Cemento para hormigón de uso vial, aplicable con tecnología de alto rendimiento (TAR) (IRAM 50002). En esta clasificación se determinan distintas subclases según la composición, tal como se muestra en la Tabla 4 y 5.


Los cementos para hormigones de uso vial, para tecnología de alto rendimiento (TAR), son aquéllos especialmente indicados para aplicaciones en pavimentos en los que se emplea tecnología de alto rendimiento. La TAR es aquella que se aplica a la construcción de pavimentos de hormigón empleando pavimentadoras de encofrados deslizantes. Requiere elevados consumos de hormigón, que permitan mantener una velocidad de avance uniforme de 1 m/min, como mínimo.

Tabla 4. Cementos para uso general según la norma IRAM 50000 Composición (g/100 g) (2)

Tipo de cemento (5)

Nomen- clatura

Clínker + sulfato de

calcio

Puzolana o ceniza volante

silícea (P ó CV)

Escoria (E)

"Filler" calcáreo

(F) Compuestos minoritarios

(∗)

Cemento pórtland normal

CPN 100 – 95 - - - 0 – 5

Cemento pórtland con "filler" calcáreo

CPF 94 – 75 - - 6 – 25 0 – 5

Cemento pórtland con escoria

CPE 94 – 65 6 – 35 0 – 5

Cemento pórtland compuesto (3)

CPC 94 – 65 Dos o más, con 6 ≤ (P+E+F) ≤ 35 y con F ≤ 35 0 – 5

Cemento pórtland Puzolánico (4)

CPP 85 – 50 15 – 50 - - 0 – 5

Cemento de alto horno CAH 64 – 25 36 – 75 - 0 – 5

(1) La suma de los contenidos de puzolana o ceniza volante, escoria y “filler” calcáreo y de los componentes minoritarios, no modifica el contenido mínimo de clínker, más sulfato de calcio. Esto significa, que el porcentaje de incorporación del componente minoritario, debe reducir al de la puzolana o ceniza volante, escoria o “filler calcáreo.

(2) A solicitud de los usuarios, los fabricantes deberán informar la composición detallada del cemento requerido. (3) En los cementos pórtland compuestos, tanto en la bolsa como en el remito, para el caso del cemento a granel, se deben indicar

los nombres de las adiciones que se hayan incorporado (puzolana o ceniza volante silícea, escoria, “filler” calcáreo) en orden decreciente de contenido. Cuando la diferencia entre los contenidos de las adiciones incorporadas, sea menor que 4 %, el orden en el cual se las debe indicar, es indistinto.

(4) En los cementos pórtland puzolánicos, tanto en la bolsa como en el remito, para el caso del cemento a granel, se debe indicar si la adición corresponde a una ceniza volante silícea.

(5) Todo cemento con dos o más adiciones (E, P, F) que en conjunto sumen más de 5 % y menos del 35 % y que no estén contemplados dentro de ninguno de los tipos de cementos indicados en la tabla, se clasifica como cemento pórtland compuesto (CPC).

(∗) Materiales minerales naturales o artificiales o materiales minerales derivados del proceso de fabricación del clínker o alguna de las siguientes adiciones: puzolana, ceniza volante, escoria o filler calcáreo.


Tabla 5. Cementos para uso vial con tecnologías TAR según la norma IRAM 50002

Composición (2)

(g/100 g)

Tipo de cemento (5) Nomenclatura Clínker +

sulfato de calcio

Puzolana ó ceniza volante silícea

(P ó CV)

Escoria (E)

“Filler” calcáreo

(F)

Comp. minoritarios

Cemento pórtland normal CPN 100-95 --- --- --- 0-5

Cemento pórtland con “filler” calcáreo CPF 94-80 --- --- 6-20 0-5

Cemento pórtland con escoria CPE 94-80 --- 6-20 --- 0-5

Cemento pórtland compuesto (3) CPC 94-80

dos o más, con: 6 ≤ (P o CV + E + F) ≤ 20

0-5

Cemento pórtland puzolánico (4) CPP 85-80 15-20 --- --- 0-5 (1) La suma de los contenidos de puzolana o ceniza volante silícea, escoria y “filler” calcáreo y de los componentes minoritarios, no modifica el contenido mínimo de clínker, más sulfato de calcio. Esto significa, que el porcentaje de incorporación del componente minoritario, debe reducir al de la puzolana o ceniza volante, escoria o “filler calcáreo. (2) A solicitud de los usuarios, los fabricantes deberán informar la composición detallada del cemento requerido. (3) En los cementos pórtland compuestos, tanto en la bolsa como en el remito, para el caso del cemento a granel, se deben indicar los nombres de las adiciones que se hayan incorporado (puzolana o ceniza volante silícea, escoria, “filler” calcáreo) en orden decreciente de contenido. Cuando el contenido individual de las adiciones (puzolana o ceniza volante silícea, escoria, “filler” calcáreo) sea menor que 5% se debe declarar el nombre de la adición correspondiente seguido del texto: menor que 5%. Cuando la diferencia entre los contenidos de las adiciones incorporadas, sea menor que 4%, el orden en el cual se las debe indicar, es indistinto. (4) En los cementos pórtland puzolánicos, tanto en la bolsa como en el remito, para el caso del cemento a granel, se debe indicar si la adición corresponde a una ceniza volante silícea. (5) Todo cemento con dos o más adiciones (puzolana o ceniza volante silícea, escoria, “filler” calcáreo) que en conjunto sumen más de 5% y menos del 20% y que no estén contemplados dentro de ninguno de los tipos de cemento indicados en la tabla, se clasifica como cemento pórtland compuesto (CPC).

Tabla 6. Cementos para usos especiales según la norma IRAM 50001

Denominación Nomenclatura

De Alta Resistencia Inicial ARI

Altamente Resistente a los Sulfatos ARS

Moderadamente Resistente a los Sulfatos MRS

De Bajo Calor de Hidratación BCH

Resistente a la Reacción Álcali-Agregado RRAA

Blanco B


Los requerimientos especiales que se presentan en las distintas obras civiles han creado la necesidad de desarrollar distintos tipos de cementos que se adecuen a aplicaciones específicas. Desde hace algunos años, se han incluido junto al clinker y el yeso, otros materiales durante la molienda, dando lugar así a los cementos compuestos o cementos mezclas. Básicamente, a los cementos compuestos se les incorporan adiciones minerales activas o inactivas. La modificación de las proporciones de los compuestos principales del clinker y/o la incorporación de adiciones, da como resultado diferentes tipos de cementos, muchos de los cuales se han desarrollado para asegurar la durabilidad del hormigón sometido a diferentes medios agresivos. Sin embargo, no ha sido posible encontrar en la constitución del cemento una respuesta completa al problema de la durabilidad del hormigón; pues las propiedades más importantes del hormigón en estado endurecido (resistencia, contracción, creep, permeabilidad, resistencia a medios agresivos), están afectadas por características propias de las mezclas utilizadas, y los procesos de mezclado, colocación, vibrado y curado; más que por las propiedades del cemento portland. Cemento Portland Normal - CPN Es usado en todo tipo de estructuras de hormigón, pavimentos, premoldeados curados con vapor y siempre que no se requiera una propiedad especial. Este cemento es obtenido por la molienda conjunta de clinker portland y pequeñas cantidades de yeso, pudiendo incorporar además hasta un 5 % compuestos minoritarios. Cemento Portland de Alta Resistencia Inicial - ARI Este cemento se utiliza cuando son requeridas altas resistencias a temprana edad. La resistencia a compresión que desarrollan a los tres días es del orden de la resistencia a los siete días del cemento portland normal para la misma razón agua/cemento. La mayor rapidez de adquisición de resistencia, se debe a la mayor finura del cemento (450-500 m2/kg) y en parte al mayor contenido de C3S. Su uso es apropiado para construcciones donde sea necesario remover los encofrados rápidamente. También es apropiado para hormigonar en climas fríos, debido a que el calor liberado por su hidratación permite el progreso de las reacciones. Por la misma causa no debe ser usado en el hormigonado de secciones mayores a 0.5 m pues puede causar la fisuración del hormigón por gradientes térmicos. Cemento Portland Altamente Resistente a los Sulfatos y moderadamente resistentes a los sulfatos – ARS y MRS Este cemento es utilizado en la fabricación de hormigones que puedan estar o estén en contacto con agua o suelos que contengan sulfatos. El ataque de sulfatos al hormigón involucra reacciones entre éstos iones y los hidratos del C3A que serán tratadas más adelante, que provocan la destrucción del hormigón. En Rumania también se limita en estos cementos el contenido de C3S a 50%. Esta limitación tiene su razón en que el C3S libera mayor cantidad de CH en su hidratación que el C2S. El CH es susceptible al ataque de sulfatos. El cemento moderadamente resistente a los sulfatos es apropiado para ser utilizado en estructuras en contacto con agua de mar o suelos con baja concentración de sulfato.


Cemento Portland de Bajo Calor de Hidratación - BCH Este cemento es apropiado para ser utilizado en estructuras de volumen considerable. La elevación de la temperatura en el interior de una gran masa de hormigón provocada por el calor liberado en la hidratación del cemento, puede ser causa de fisuración. A este cemento se le exige un calor de hidratación menor. Este cemento presenta un desarrollo de resistencia más lento que el cemento portland normal. Su resistencia final no se ve disminuida. Cemento Portland Resistente a la Reacción Álcali-Agregado - RRAA Este cemento sólo debe ser utilizado en el caso que formara parte de un hormigón cuyos agregados fueran potencialmente reactivos (IRAM 1512:13) y la estructura estuviese en contacto con agua o suelos húmedos, especialmente en climas cálidos. La reacción expansiva entre el cemento y algunos agregados reactivos involucra a los álcalis contenidos en el cemento. Para determinar si un cemento es resistente a la reacción álcali-agregado se utiliza el ensayo descrito en la norma IRAM 1648:04. Se confeccionan barras de mortero constituidas por una parte de cemento, 2:25 partes de vidrio borosilicatado graduado y el agua necesaria para obtener una fluidez de 105 ± 5 %. Las barras son curadas en los moldes durante 24 horas y luego se desmoldan y miden. Seguidamente se estacionan paradas en recipientes a 38 °C y 100 % de HR. La expansión medida no debe superar el 0.020 % y el 0.060 % a los 14 días y a ocho semanas, respectivamente. El reglamento CIRSOC 201 propone como limitación a estos cementos un contenido de álcalis expresados en óxido de sodio, % álcalis = (% Na2O + 0.658 K2O) < 0.6. Cemento con FiIler Calcáreo - CPF La norma IRAM 50000 define a este tipo de cemento como un conglomerante hidráulico que se obtiene por molienda conjunta o separada, en planta de cemento, de clinker portland y material calcáreo, con la adición de pequeñas cantidades de sulfato de calcio. El contenido de material calcáreo no será superior al 25 % en peso. La finura, los tiempos de fraguado y la resistencia mecánica para este cemento tienen idénticos valores límites que el CPN. Cemento de Alto Horno - CAH El cemento de alto horno, se obtiene por la molienda conjunta o separada en planta de cemento, de clinker portland, EGAH, con la adición de pequeñas cantidades de sulfato de calcio. El contenido de EGAH en este cemento será mayor o igual a 36 % y menor de 75 %, en peso. La finura, los tiempos de fraguado y la resistencia mecánica para este cemento están limitados del mismo modo que para el CPN. Cemento Portland con Escoria de Alto Horno - CPE Este cemento tiene un contenido intermedio de EGAH, siendo su valor comprendido entre 6 y 35 %. Aquí también, la finura, los tiempos de fraguado y la resistencia mecánica para este cemento están limitados del mismo modo que para el CPN. Cemento Portland Puzolánico - CPP Es el cemento que se obtiene por pulverización conjunta o separada de clinker portland y puzolana con la adición eventual de sulfato de calcio. El contenido de puzolana debe estar comprendido entre 15 y 50 % en peso del total. Posteriormente, se analizarán los tipos de


puzolanas, la reacción puzolánica y los beneficios técnico-ecónomicos de su utilización. La finura, los tiempos de fraguado y la resistencia mecánica para este cemento están limitados del mismo modo que para el CPN. Cemento Portland Blanco - CB El cemento portland blanco es el producto de la pulverización del clinker blanco. El clinker blanco se obtiene a partir de materias primas con bajo contenido de hierro en su composición: arcillas libres de hierro (caolinita) y rocas calizas sin impurezas. Este cemento presenta un contenido elevado de C3A y bajo C4AF. El color gris o gris-verdoso del cemento portland endurecido es debido a la presencia de hierro en su composición y puede ser causa de limitaciones para crear superficies de ciertos aspectos estéticos. Las limitaciones adicionales con respecto al cemento portland normal son: Fe2O3 < 0.5% y el Mn2O3 < 1 %. Su costo es muy elevado y con distintos óxidos este cemento puede colorearse. Cemento de Albañilería Según IRAM 1685:78 es el producto obtenido por la pulverización conjunta del clinker portland, piedra caliza y aditivos químicos que mejoran la plasticidad y retención de agua, haciéndolos aptos para trabajos generales de albañilería. Este ligante fue concebido por una necesidad técnico-económica de la construcción. Las mezclas clásicas usadas para las construcciones de albañilería en base a cemento, cal apagada, polvo de ladrillo y arena presentan grandes variaciones en su composición y se requiere de un mayor tiempo para su confección. Este cemento presenta características intermedias entre la cal y el cemento portland y puede ser utilizado solamente agregando arena y agua. Las condiciones que debe cumplir el ligante surgen de su aplicación en la construcción de muros y revoques. El mortero en estado fresco debe ser plástico, trabajable y uniforme para ser fácilmente extendido y que cubra perfectamente las superficies a ligar o revestir. Luego de endurecer el mortero debe poseer resistencia, adherencia, cohesión y estabilidad volumétrica. Los cementos de albañilería contienen un producto incorporador de aire para aumentar la trabajabilidad y caliza molida que provee estabilidad dimensional al mortero, evitando la contracción por secado y fisuración de revoques, favoreciendo la impermeabilización y adherencia. Los requisitos especificados por la norma IRAM 1685:78 para este cemento son: tiempo de fraguado (90 min -24 hs.), finura (% partículas de 75 µm < 15), aire incorporado, expansión en autoclave, resistencia a compresión (2,5 y 4.5 MP, a 7 y 28 d respectivamente), retención de agua (>65%) y contracción por secado (<0.15 %). Cementos para Pozos Petroleros Estos cementos son utilizados para sellar los pozos petroleros una vez perforados. El cemento debe presentar las siguientes características: fraguado lento a alta temperatura y presión, debe poder ser bombeado, estable bajo condiciones agresivas y adquirir resistencia rápidamente. La norma IRAM 1518:87 normaliza nueve clases (A-J) de cementos. El cemento presenta bajo contenido de C3A, y el agregado de materiales finamente divididos (arcilla, bentonita) para aumentar la retención de agua. También contienen aditivos retardadores de fraguado y altos contenidos de sílice para aumentar el tiempo de inicio de fragüe. El tiempo de fraguado y resistencia son evaluados por ensayos especiales que se encuentran en la norma IRAM 1518:87. Cementos Aluminosos


La composición de los cementos aluminosos es totalmente distinta a la correspondiente al cemento portland. Sus componentes principales son los aluminatos cálcicos (CA, C12A7 y C2AS) en lugar de los silicatos. Los aluminatos de calcio son producidos por la fusión completa de calcáreo puro y de bauxita. En Francia son conocidos con el nombre de “CimentFondu”. La hidratación de los aluminatos se completa en las primeras veinticuatro horas de mezclada el agua con el cemento, liberando grandes cantidades de calor y alcanzando elevadas resistencias mecánicas a temprana edad. Presenta una excelente resistencia al ataque ácido y de sulfatos debido a la ausencia de CH. Dos de sus productos de hidratación (C2AH8 y CAH10) son compuestos metaestables con respecto al C3AH6, y se disocian cuando la temperatura supera los 30 °C. Esta conversión conduce a la pérdida de volumen sólido que incrementa la porosidad, afectando la resistencia mecánica y química. En nuestro país no se fabrican cementos aluminosos. Su uso más difundido es como cemento en hormigones refractarios para hornos. Sus propiedades refractarias se deben a que el agua de combinación evaporada al elevarse la temperatura no provoca la incoherencia del hormigón y superados los 1000 °C se desarrollan enlaces cerámicos entre las partículas de agregado refractario y el cemento. En las normas IRAM 50000 y 50001 se establecen los requisitos físicos y químicos aplicables a cada uno de estos cementos.

Tabla 7. Requisitos físicos exigidos a cementos para uso general y para uso vial según la norma IRAM 50000 y 50002

Requisito Unidad Mínimo Máximo Método de ensayo

Material retenido sobre el tamiz IRAM 75 µm g/100g - 15 IRAM 1621 Finura Superficie específica m2/kg 250 - IRAM 1623

Constancia de volumen Expansión en Autoclave % - 0,8 IRAM 1620

Tiempo de fraguado inicial

CP30 CP40 CP50

Min 75 60 45

- - -

IRAM 1619

Contracción por secado*

a 28 días de la lectura inicial % - 0,15

Requerimiento de agua % por masa de cemento *

g/100g - 64,0 IRAM 1761

* sólo se aplica para los cementos tipo CPP y CPC.

Tabla 8. Requisitos mecánicos exigidos a cementos para uso general y para uso vial según la norma IRAM 50000 y 50002

Resistencia a la compresión (MPa) (*) Categoría

2 d 7 d 28 d

Método de ensayo

CP 30 - mín. 16 mín. 30 máx. 50 CP 40 mín. 10 - mín. 40 máx. 60 CP 50 mín. 20 - mín. 50 -

IRAM 1622

(*) En todos los casos, los valores de resistencia obtenidos a los 28 d deberán ser mayores que los obtenidos a los 2 d y a los 7 d.


Tabla 9. Requisitos químicos exigidos a cementos para uso general (IRAM 50000)

Característica Tipo de cemento Requisito Unidad Método de

ensayo

Pérdida por calcinación IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPE, CAH CPP CPF CPC

5,0 9,0 13,5 14,5

Residuo insoluble IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPE, CAH CPF CPC CPP

5,0 10,0 35,0 50,0

Trióxido de azufre IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPE, CPP, CAH, CPF, CPC 3,5

Oxido de magnésio IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPP CPF CPE, CPC, CAH

6,0 7,0 ---

Cloruros IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPE, CPP, CAH, CPF, CPC 0,1

Sulfuros IRAM 1504 Máximo (%)

CPN, CPF, CPP CPE, CPC CAH

0,1 0,5 1,0

g/100 g IRAM 1504

Coficiente puzolánico IRAM 1651 CPP <= 1 IRAM

1651

Tabla 10. Requisitos químicos exigidos a cementos para uso vial (IRAM 50002)

Característica Tipo de cemento Requisito Unidad Método de ensayo

CPN, CPE 5,0 CPP 6,5 Pérdida por calcinación

(máximo) CPF, CPC 11,5 CPN, CPE 5,0

CPF 9,0 Residuo insoluble (máximo)

CPC, CPP 20,0 CPN, CPF, CPE Trióxido de azufre (SO3)

(máximo) CPC, CPP 3,5

CPN, CPP 6,0 CPF 7,0 Óxido de magnesio (MgO)

(máximo) CPE, CPC ---

CPN, CPF, CPE Cloruros (Cl-) (máximo) CPC, CPP

0,10

CPN, CPF, CPP 0,10 Sulfuros (S2-) (máximo) CPE, CPC

g/100 g IRAM 1504

Coeficiente puzolánico CPP Menor que 1,0 --- IRAM 1651


Tabla 11. Requisitos específicos de cementos de alta resistencia inicial (ARI) según la norma IRAM 50001

Tipo de

cemento Propiedad Unidad Requisito Método de ensayo

Superficie específica (valor promedio) ≥ 400

Superficie específica (valores individuales)

m2/kg ≥ 370

IRAM 1623

edad: 1 d ≥ 10

edad: 2 d ≥ 20 edad: 3 d ≥ 27 edad: 7 d ≥ 40

CPN, CPC, CPF, CPE, CAH o CPP

Resistencia a la compresión

edad: 28 d

MPa

≥ 50

IRAM 1622

Tabla 12. Requisitos específicos de cementos altamente resistentes a los sulfatos (ARS)

según la norma IRAM 50001

Tipo de cemento Propiedad Unidad Requisito Método de

ensayo Contenido de aluminato tricálcico (C3A) en el cemento ≤ 4,0

CPN Contenido de aluminato tricálcico más aluminoferrito tetracálcico (C3A + FAC4) en el cemento o aluminoferrito tetracálcico más ferrito dicálcico (FAC4 + FC2) en el cemento

≤ 22,0

Contenido de aluminato tricálcico (C3A) en el clinker ≤ 4,0

CPC, CPF, CPE, CAH o

CPP (ver nota)

Contenido de aluminato tricálcico más aluminoferrito tetracálcico (C3A + FAC4) en el clinker o aluminoferrito tetracálcico más ferrito dicálcico (FAC4 + FC2) en el clinker

%

≤ 22,0

IRAM 1504

Nota: ante requerimiento del usuario o ente fiscalizador, el productor entregará una muestra del clinker y de la puzolana o escoria de alto horno e informará las proporciones empleadas en la elaboración del cemento portland altamente resistente a los sulfatos con adiciones, para que se proceda a su estudio.


Tabla 13. Requisitos específicos de cementos moderadamente resistentes a los sulfatos (MRS) según la norma IRAM 50001

Tipo de


CPN Contenido de aluminato tricálcico (C3A) en el cemento % ≤ 8,0 IRAM 1504

Tabla 14. Requisitos específicos de cementos de bajo calor de hidratación (BCH) según la norma IRAM 50001

Tipo de


≤ 270 CPN, CPP, CAH o CPE

Calor de hidratación Edad: 7 días Edad: 28 días

≤ 310 IRAM 1617

CPN, CPP, CAH, CPF, CPC o CPE

Calor de hidratación Edad: 5 días

J/g

≤ 270 IRAM 1852 (ver nota)

Nota: cuando existan discrepancias al ensayar los cementos CPN, CPP, CAH o CPE con el método indicado en la norma IRAM 1852 se debe ensayar el cemento en cuestión con la IRAM 1617 (método de referencia) debiendo cumplir con los requisitos establecidos en esta tabla.

Tabla 15. Requisitos específicos de cementos resistentes a la reacción álcali-agregado (RRAA) según la norma IRAM 50001

Tipo de


≤ 0,020 CPN, CPP, CAH, CPF, CPC o CPE

Expansión Edad: 14 días Edad: 56 días

% ≤ 0,060

IRAM 1648


Tabla 16. Requisitos específicos de cementos blancos (B) según la norma IRAM 50001

Tipo de cemento Propiedad Unidad Requisito Método de

ensayo

Contenido de Fe2O3 ≤ 0,50

Contenido de Mn2O3 ≤ 0,10 IRAM 1504

CPN, CPF o CPC

Blancura

%

> 70 IRAM 1618

Propiedades físicas de los cementos portland Finura El término finura está referido al promedio del tamaño de partículas del cemento. Es una característica del cemento que cobra gran importancia debido a la influencia, favorable o desfavorable, que ejerce sobre ciertas propiedades del hormigón. Para un cemento de composición dada, una mayor finura del cemento confiere al hormigón un desarrollo de mayor resistencia a temprana edad, una menor exudación y contribuye a la trabajabilidad del mortero. Como contrapartida se tiene un mayor costo de molienda, una mayor contracción por secado, un aumento en el requerimiento de agua de la mezcla y un menor período de almacenamiento del cemento. El tamaño de las partículas del cemento varía entre 1 y 200 µm. Existen varias formas de control de la finura del cemento. La norma IRAM 50000:2010 requiere que el 85% de las partículas sean menores a 75 µm para asegurar una adecuada hidratación. Para tal fin se determina el porcentaje retenido sobre el tamiz IRAM 75 µm (N°200) que originan 50 g de cemento, tamizados por vía húmeda y luego secado por calentamiento en estufa o placa calefactora (IRAM 1621:04). Si bien este ensayo puede servir como método de control, no da una idea de la distribución de tamaños de las partículas. Otro método para medir la finura del cemento es por medio de su superficie específica. La superficie específica se determina por el método de permeametría o por métodos ópticos; también puede ser medida por absorción de nitrógeno. En nuestro país está normalizado el método de Blaine (IRAM 1623:04), que se basa en la relación existente entre la superficie específica de las partículas de una capa de cemento de porosidad establecida y la velocidad con que atraviesa el aire dicha capa. El número y tamaño de los poros de la capa es función del tamaño de las partículas. En este ensayo se coloca en la celda de volumen “V”, (Figura 23) una muestra de cemento cuyo peso es:

P = δ * V * (1-ε) donde “δ” es la densidad del cemento y “ε “ es la porosidad de la capa. Se comprime con el pistón hasta lograr la altura de la capa establecida. Se aspira el líquido manométrico hasta que alcance la marca 8 y se cierra la llave de paso. El líquido comienza a descender lentamente y se computa el tiempo entre las marcas 9 y 10. Seguidamente se calcula la superficie específica con la siguiente expresión:

SE= K * (t)1/2


donde “K” es la constante del aparato determinada a partir de una muestra de superficie específica conocida y “t” el tiempo medido. La superficie específica mínima promedio para un cemento portland para usos generales, es de 250 m2/Kg.

Fig. 23: Equipo para ensayo de finura Blaine

Calor de Hidratación Las reacciones que ocurren durante la hidratación del cemento portland son exotérmicas. Cuando el cemento se hidrata sus compuestos adquieren un estado de energía interna menor, liberando una importante cantidad de calor, conocida como “calor de hidratación” o entalpía. La entalpía es una cantidad termodinámica que puede ser determinada por cálculo o en forma experimental. En la tabla 15 se informan el calor generado a distintas edades por los cuatro compuesto principales del cemento obtenida por medio de un análisis de regresión múltiple del calor de hidratación de cementos portland de composición conocida. En la tecnología del hormigón, el calor de hidratación del cemento puede ser algunas veces ventajoso (hormigonado en climas fríos) y otras veces perjudicial (estructuras masivas).

Tabla 17. Calor de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Verberec - Foster, 1950)

CALOR DE HIDRATACIÓN en J/g (Cal/g) COMPUESTO 3 días 90 días 1 año 13 años

C3S 234 (58) 436 (104) 490 (117) 511 (122) C2S 50(12) 176 (42) 225 (54) 247 (59) C3A 888 (212) 1303 (311) 1340 (319) 1357 (324)

C4AF 289 (69) 410 (98) 420 (100) 427 (102) El método de ensayo normalizado (IRAM 1617:10) para determinar el calor de hidratación de un cemento a una determinada edad, consiste en medir el calor de disolución del cemento seco y del cemento hidratado en una mezcla ácida. La diferencia entre estos valores da el calor de


hidratación para ese período de tiempo. El ensayo especifica como solventes ácido fluorhídrico y ácido nítrico, se efectúa sobre una muestra de cemento sin hidratar y otra de pasta (a/c = 0.40) estacionada a 20 ± 0.2 °C. La determinación del calor de hidratación por medio de un calorímetro adiabático permite el seguimiento continuo de la evolución del calor de hidratación del cemento. Estos equipos miden la variación de la temperatura en el tiempo de una pasta de cemento y puede ser convertida en calor (J/g). La cantidad total de calor liberado por un cemento puede ser conocido mediante la integral de la curva de liberación de calor dQ/dt obtenida por medio de un ensayo de calorimetría por conducción (Figura 24). El calor de hidratación del cemento se encuentra influenciado por su composición química, su finura y la temperatura de curado en las primeras edades.

10 20 30 40 5060

Edad, horas

dQ/dt

Inicio del fraguado

Fin del fraguado

TransformaciónAFt -> AFm

FormaciónC-S-H

Disolución inicialFormación AFt

10 20 30 40 5060

Edad, horas

dQ/dt

Inicio del fraguado

Fin del fraguado


FormaciónC-S-H


10 20 30 40 5060

Edad, horas

dQ/dt

Inicio del fraguado

Fin del fraguado


FormaciónC-S-H


Fig. 24. Evolución del calor de hidratación de un CPN por conducción calorimétrica

(Fac. de Olavarría, UNCPB) Consistencia Normal Algunos de los requisitos de calidad que se establecen para el cemento portland, fraguado y expansión, son afectados por el contenido de agua de la pasta. Por esto se ha establecido, para estos ensayos una pasta de condiciones estándar de humedad llamada “pasta de consistencia normal”. El contenido de agua necesario para obtener esta consistencia, se determina (IRAM 1612:06) por un método de prueba y error. Se prepara una pasta mezclando 500 g de cemento y una cantidad de agua, se llena un molde troncocónico (diámetro interno inferior 80 ± 5 mm, diámetro interno superior 70 ± 5 mm y altura 40 ± 0.2 mm). El molde se centra bajo la varilla de 300 ± 1 g (figura 25) del aparato de Vicat, cuya punta termina en una sonda de 10 mm de diámetro, y la varilla se deja caer lentamente. La pasta es de consistencia normal cuando la sonda se detiene a una distancia de 6 ± 1 mm de la superficie de la placa base en 30 segundos. La cantidad de agua requerida se informa respecto al peso de cemento seco. El rango usual está entre 22 y 25 % para los cementos portland, pudiendo ser mayor en los cementos portland puzolánicos (23 al 28 %). Este ensayo sólo cuantifica la plasticidad de la pasta de cemento, y por lo tanto no se correlaciona con el requerimiento de agua del hormigón confeccionado con el mismo cemento.


Fig. 25. Aparato de Vicat Fraguado del Cemento La pasta de consistencia normal presenta una plasticidad considerable, la cual se mantiene durante el período latente de hidratación. Luego, la pasta comienza a tomar rigidez, hasta perder totalmente su plasticidad y convertirse en un sólido sin resistencia. Este proceso de endurecimiento es llamado fraguado, y se debe a las reacciones químicas del cemento con el agua ya discutidas. El fraguado no es un proceso de secado. La ganancia de resistencia tiene lugar después del fraguado, a medida que se van generando nuevos productos que reducen la porosidad del material. En los cementos comúnmente se habla de fraguado inicial, comienzo de la rigidización, y de fraguado final, desaparición de la plasticidad. El tiempo de fraguado es usualmente determinado por la variación de la resistencia a la penetración de pequeñas agujas. También puede determinarse por la variación de la velocidad de propagación del sonido, la variación de la resistencia eléctrica, la variación de la composición de la química por medio de DRX y la evolución de las características reológicas de la pasta. El ensayo normalizado por IRAM 1619:06 para determinar el tiempo de fraguado, utiliza el aparato de Vicat. La pasta de cemento de consistencia normal permanece plástica durante un cierto tiempo, a continuación aumenta su viscosidad rápidamente. Cuando la pasta ha espesado lo suficiente para que la aguja de Vicat se detenga a una distancia de 4 ± 1 mm de la superficie de la placa de base a los 30 s de liberada, el fraguado inicial ha tenido lugar y se expresa como el tiempo transcurrido, en minutos, desde que se agrega el agua al cemento. El fraguado final tiene lugar cuando la aguja no produce impresión apreciable (penetración menor a 0.5 mm) sobre ambas caras de la probeta y se expresa en horas. En la figura 26 se representa la variación de la resistencia a la penetración de la aguja de Vicat a lo largo del tiempo, donde se definen los tiempos de fraguado.


Fig. 26. Resistencia a la penetración de una pasta de consistencia normal (Gaspar-Tebar, Rev. Materiales

de Construcción)

Los factores que influyen en el tiempo de fraguado del cemento son los siguientes:

• Temperatura de curado • Relación agua/cemento • Incorporación de aditivos químicos • Finura del cemento.

El tiempo de fraguado inicial para los cementos portland comerciales varía de 60 a 240 minutos y el final de 2.5 a 6 horas. En los cementos puzolánicos entre 120 a 240 minutos y 4 a 8 horas. Un mal almacenamiento del cemento o el envasado del cemento caliente pueden dar lugar al “falso fraguado” tratado más adelante. Estabilidad Dimensional La pasta de cemento puede verse afectada por cambios excesivos de volumen que ocasionan su fisuración. La expansión puede ser causada por varios factores: inapropiada cantidad de yeso en el cemento, presencia de óxido de calcio libre, exceso de óxido de magnesio cristalizado en forma de periclasa. La lenta hidratación de la cal libre y de la periclasa está acompañada por un aumento de volumen que provoca la disgregación de la pasta, mortero u hormigón. Estas expansiones aparecen varios meses después de la hidratación del cemento, siendo necesario contar con un ensayo acelerado para probar la presencia de estos compuestos en el cemento antes de su utilización. En Argentina se encuentra normalizado el ensayo de autoclave (IRAM 1620:03), donde la hidratación de la cal libre y la magnesia es acelerada por la alta temperatura del curado a vapor y la presión. Se utilizan barras prismáticas (25.4 x 25.4 x 254 mm) constituidas por pasta de


consistencia normal, las cuales son curadas en un ambiente húmedo (100 % HR y 21 ± 1 °C) durante las primeras 24 horas. Luego se desmoldan, se mide su longitud y se colocan en el autoclave donde la presión de vapor se eleva a 2 ± 0.1 MPa en una hora. El volumen del autoclave, donde se colocan las probetas, es tal que la temperatura alcanza los 214 ± 2 °C. La presión se mantiene por espacio de tres horas y luego alcanza la presión normal en una hora. Se retiran las probetas se enfrían hasta temperatura ambiente y se mide su longitud final. La expansión no debe exceder 1 % para los cementos portland. El ensayo de autoclave es de gran aplicación en cementos portland. En cementos puzolánicos o con adiciones, debido a las condiciones del ensayo (elevada temperatura y presión), tiene lugar una síntesis directa entre la cal libre o el hidróxido de calcio con los constituyentes ácidos de la adición que no provoca expansión. A temperaturas normales no se produce esta síntesis y si se produce la hidratación expansiva del CaO y MgO. Por esta razón los cementos portland puzolánicos o de escorias no acusan expansión en el ensayo de autoclave y generalmente se encuentra una contracción. El ensayo que es conveniente aplicar con estos cementos es el propuesto por Le Chatelier (BS-4550-Ill-3) cuyo instrumento se muestra en la figura 27. Se llena el cilindro de 30 mm de diámetro con pasta de consistencia normal, sellado se sumerge en agua a 20 °C durante 24 horas. Seguidamente, se toma la medida entre los puntos indicadores y se retorna al recipiente con agua en ebullición durante una hora. Luego se enfría y se mide la distancia entre los puntos indicadores. La diferencia entre lecturas es proporcional a la expansión y no debe exceder de 10 mm. Este ensayo sólo acusa la expansión provocada por la cal libre y debe ser aplicado a cementos portland con bajo contenido de magnesia.

Fig. 27. Aparato de Le Chatelier par medir la sanidad de los cementos

Resistencia Mecánica La capacidad del cemento de desarrollar resistencia es la propiedad que le ha permitido ser uno de los materiales de construcción más importante. El endurecimiento de la pasta de cemento es el resultado de la hidratación del mismo, el desarrollo de vínculos entre los productos de hidratación y la reducción gradual de la porosidad interna. El ensayo de resistencia mecánica del cemento se efectúa sobre morteros. Sobre esta propiedad influyen la relación agua/cemento, razón cemento/agregado, tipo y graduación de la arena, forma de mezclado y llenado de moldes, condiciones de curado, humedad de la probeta a la edad de ensayo, condiciones de carga y por supuesto, la edad. Para acotar estas variables es necesario recurrir, a una normalización que permita valorar la resistencia de un cemento de una manera comparable y repetible. Los ensayos sobre pasta se han dejado de lado debido a las dificultades en el llenado del molde y en la ejecución del ensayo, que ocasiona grandes


variaciones en los resultados. El ensayo normalizado por la norma IRAM 1622:06 para determinar la resistencia utiliza probetas prismáticas (40 x 40 x 160 mm) sobre las que se determina primero la resistencia a flexión y luego la resistencia a compresión utilizando los dos trozos del prisma roto. El mortero de consistencia plástica esta formado por tres partes de arena normal (2.0 a 0.08 mm (IRAM 1633:11) y una parte de cemento en peso. La razón agua/cemento es 0,5 en peso. El mezclado se realiza en forma mecánica y la compactación en una mesa de caída libre. El curado se realiza durante las primeras veinticuatro horas en cámara húmeda (HR ≥ 90 % y 20 ± 1 °C), seguidamente se desmoldan los prismas y se sumergen en agua saturada de cal hasta la edad de ensayo. La resistencia a flexión se determina con carga centrada. Otras propiedades de los cementos Densidad Absoluta La densidad absoluta del cemento se determina utilizando el principio del volumen de líquido desplazado por un peso conocido de cemento (64 g) en el frasco de Le Chatelier (Figura 28) (IRAM 1624:05). La densidad absoluta del cemento portland varía en el rango de 3.10 a 3.25 kg/m3, el valor de 3.15 es asumido para la dosificación del hormigón. En los cementos puzolánicos varía entre 2.60 y 3.00 kg/m3, dependiendo de la densidad de la adición utilizada y el porcentaje de mezcla. A fin de evitar la hidratación se emplea kerosene como líquido.

Fig. 28. Volumenómetro de Le Chatelier para determinar la densidad del cemento.

Resistencia a los Sulfatos La resistencia a los sulfatos de los cementos portland puede ser determinada por dos métodos de ensayos normalizados en IRAM 1659:87. El primero corresponde al ensayo propuesto por Le ChateIier-Anstett-Blondiau y el segundo, a la determinación de la expansión de barras de mortero con yeso incorporado.


El ensayo de Anstett consiste en medir el aumento de diámetro que experimenta una probeta cilíndrica (80 mm de diámetro y 30 mm de altura) confeccionada por compresión de una mezcla compuesta por dos partes de pasta de cemento hidratada, una parte de yeso y 6 % en peso de agua. Como patrón se utiliza una probeta similar en la cual el yeso es reemplazado por cuarzo molido. Las probetas se estacionan en un ambiente húmedo, permitiéndose el ascenso de agua hasta ella. A la edad de 1, 28 y 90 días se determina el aumento de diámetro y la penetración de la aguja de Vicat. El cemento es considerado resistente a los sulfatos cuando el aumento del diámetro no supera el 1,25 % referido al diámetro de la probeta patrón a los 90 días. Este ensayo es considerado extremadamente severo y alejado del proceso corrosivo de los iones sulfatos. No obstante, los cementos que cumplen con este ensayo deben ser considerados resistentes a los sulfatos. Falso Fraguado El falso fraguado se manifiesta por el desarrollo rápido y prematuro de rigidez en la pasta sin desprendimiento importante de calor. La rigidez puede ser superada y restituida la plasticidad de la pasta por un remezclado sin adición de agua. El falso fraguado ocurre por la deshidratación del yeso (CSH2) durante su molienda conjunta con el clinker, según la siguiente reacción:

2(CaSO4.2H2O) → 2(CaSO4.½H2O) + 3H2O

El hemihidrato es muy ávido de agua y al mezclar el cemento con agua vuelve a formarse yeso en forma de agujas que dan rigidez a la pasta de amasado. Cuando este fenómeno se presenta en la obra se debe remezclar el hormigón sin adición de agua. El método de ensayo para determinar su existencia (IRAM 1615:73) requiere preparar una pasta de consistencia dada (34 ± 4 mm) sobre la cual se determina la penetración inicial de la sonda a los 20 segundos de finalizado el mezclado y la penetración final a los 5 minutos. La penetración final debe ser mayor al 50% de la penetración inicial. Este requerimiento sólo se aplica cuando es especificado por el interesado. Nota: Para la preparación del presente apunte de cátedra se han tomado como base las siguientes publicaciones: Tesis de Magíster en Tecnología y Construcciones de Hormigón “Cementos con filler calcáreo. Mecanismo de interacción y su influencia sobre las propiedades resistentes”, V. Bonavetti, Universidad del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Olavarría, Argentina, 1998 Informe de Beca de Perfeccionamiento “Adiciones Minerales Activas”, L. Eperjesi, Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT). Norma IRAM 50000:2010 Cemento. Cemento de uso general. Composición, características, evaluación de la conformidad y condiciones de recepción y sus modificaciones y fe de erratas. Norma IRAM 50001:2010 Cemento. Cementos con propiedades especiales y sus modificaciones y fe de erratas. Norma IRAM 50002: 2009 Cemento. Cemento para hormigón de uso vial, aplicable con tecnología de alto rendimiento (TAR). Composición, características, evaluación de la conformidad y condiciones de recepción. “HORMIGÓN: ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y MATERIALES. Unidad 1: INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DEL HORMIGÓN”. Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. “Diseño y control de mezclas de concreto”, S. H. Kosmatka, B. Kerkhoff, W. C. Panarese, J. Tanesi, Portland Cement Association, 2004. “Normalización del cemento. Tiempo de fraguado: algunos comentarios sobre el método de fraguado. Demetrio Gaspar-Tebar, Revista Materiales de Construcción. 1980. “Ese Material llamado Hormigón”, Ed. N. G. Maldonado, M.F. Carrasco, Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón. ISBN 978-987-21660-5-2, octubre 2012.

Santa Fe, Marzo 2014.

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