UNIVERSIDAD DE CHILEFacultad De Ciencias Físicas Y MatemáticasDepartamento De Ciencia de los Materiales

Informe de Materiales de ConstrucciónCódigo Curso : CI3501

Informe n° 2Ensayos de Cemento

Nombre Alumno : Jorge Bustos Silva

Sección: 2

Ayudante a cargo: Ary Paredes

Fecha de Realización: 8/10/12

Fecha de Entrega: 16/10/12

ÍndiceResumen.................................................................................................................................................. 2

Introducción............................................................................................................................................ 3

I.- Introducción general........................................................................................................................3

II.- Objetivos.........................................................................................................................................3

III.- Introducción Teórica......................................................................................................................3

Desarrollo................................................................................................................................................ 4

Ensayo de resistencia mecánica...........................................................................................................4

1.- Elaboración de probeta...............................................................................................................4

2.- Procedimiento de ensayo...........................................................................................................5

Ensayo de tiempo de fraguado............................................................................................................6

Determinación de consistencia normal............................................................................................7

Determinación de tiempos de inicio y fin de fraguado....................................................................7

Ensayo de expansión en autoclave......................................................................................................8

Otros.................................................................................................................................................... 8

Análisis y Conclusiones............................................................................................................................ 9

Bibliografía.............................................................................................................................................10

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Resumen

En el presente informe, se da cuenta de las diferentes etapas del proceso de ensayo de una probeta de cemento en los laboratorios del IDIEM, donde se testean todos los cementos que se producen en el país. Se describe el ensayo de resistencia mecánica, realizado con un mortero, y donde se analiza la resistencia a flexión y compresión de la probeta. Luego, se da cuenta del ensayo de tiempo de fraguado y finalmente el ensayo de expansión en autoclave. Estas experiencias se describen asociadas a la norma chilena correspondiente a cada una.

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Introducción

I.- Introducción general

La experiencia de laboratorio descrita se realizó el día 8 de octubre del presente, en las dependencias del Laboratorio de Aglomerantes del IDIEM, al interior de la facultad, denominadas Sección de Tecnología de Cemento (STC), lugar donde se somete a ensayos a todos los cementos comercializados en Chile, entre ellos las marcas chilenas reconocidas como Polpaico y Melón, y los traídos del extranjero. Este laboratorio se encuentra acreditado por el Instituto Nacional de Normalización (INN). Entre los artículos utilizados, se tiene el mortero RILEM para la mezcla, ensayos mecánicos, el aparato VICAT para ensayos de fraguado y una autoclave. El encargado de STC explicó al grupo con detalle cada paso del proceso de los ensayos y se mostró en vivo su realización, con excepción de la autoclave que requiere de mucho más tiempo.

II.- Objetivos

El objetivo de la experiencia es observar la preparación de las probetas de cemento en mortero, y presenciar los diferentes ensayos, de acuerdo de cumplir con las normas chilenas vigentes. Más específicamente, se espera analizar los resultados numéricos de los ensayos de flexión y compresión, y conocer el procedimiento de determinación del tiempo de inicio y fin del fraguado.

III.- Introducción Teórica

El cemento se clasifica como un tipo material cerámico, es decir en la estructura interna atómica de sus componentes, predomina el enlace iónico y las estructuras cristalinas. Está hecho mayormente de elementos silicatados como arcillas y arena. La norma chilena lo define como un material pulverizado que con la adición conveniente de agua forma una pasta conglomerante capaz de endurecer al ambiente.

En cuanto a las propiedades mecánicas, la flexión se define como el tipo de deformación, común en elementos estructurales donde una dimensión es mayor a las demás, donde el elemento tiende a doblarse, dada una fuerza externa perpendicular a su eje longitudinal. Luego la compresión es la deformación caracterizada por una reducción de volumen del cuerpo, dado un acortamiento en una determinada dirección.

Finalmente, se define el fraguado como al proceso de endurecimiento y pérdida de plasticidad del material, debido a la hidratación de las moléculas constituyente y su posterior recristalización, lo que causa eliminación de la humedad presente.

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Desarrollo

En términos generales, el cemento en Chile se rige por la norma NCh 148, que lo define, define su clasificación, composición, requisitos y análisis químicos, junto con las propiedades con las que debe cumplir, y que son ensayadas en el IDIEM.

Ensayo de resistencia mecánica.Aquí se testearán las propiedades mecánicas de flexión y compresión en una probeta de cemento. Este proceso está normalizado por NCh 158.

1.- Elaboración de probeta.Los materiales consisten en: 500 gramos del cemento a analizar, 1500 gramos de arena normalizada y 250 ml de agua potable. El recipiente mezclador según la norma debe estar hecho de acero inoxidable, con una paleta central que gira en torno a su eje y de forma planetaria en torno al motor, a las dos siguientes velocidades.

Tabla I: Velocidades de giro de paleta en mezclador.

El procedimiento de mezcla es el siguiente: Agua y cemento, se mezclan a velocidad lenta por 30 segundos. Se deja caer arena, mientras gira a velocidad lenta por otros 30 segundos. Se hace girar a velocidad rápida por 30 segundos. Se deja reposar por 90 segundos. Con una espátula se raspa lo que quede en las paredes

durante los primeros 15 segundos. Se hace girar a velocidad rápida por 60 segundos.

Dado esto se obtiene el mortero de cemento. En este estado, la mezcla es llevada a los moldes, dispuestos de a 3, provistos de un material que no sea atacado por el cemento, y con medidas de 40x40x160 mm, con paredes separadoras de 6 mm y caras que formen 90°. La tolerancia a esas medidas se explica en la norma, y si el molde a trabajar no la cumple, debe ser reemplazado.

El procedimiento es hacer caer desde el mismo recipiente una primera capa de mortero sobre los moldes. Estos se ponen en un mecanismo que le da “golpes”, lo eleva 15mm y lo deja caer libremente. Se le dan 60 golpes. Luego se aplica una segunda capa del material y se le dan 60 golpes más. Finalmente se quitan los restos sobre la superficie.

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ROTACION DE LA PALETA [r.p.m] REVOLUCION PLANETARIA [r.p.m]

Velocidad lenta 140 ± 5 62 ± 5Velocidad rápida 285 ± 10 125 ± 10

Para la etapa de conservación del mortero, donde se espera que se transforme en una probeta sólida, se cubre el molde con un material no absorbente y se lleva a la cámara húmeda, que debe mantenerse a una temperatura de 23 ± 2 °C y a una humedad del ambiente mayor al 90%, por un periodo de 24 horas. Luego se desmoldan las probetas, y se sumergen verticalmente en piscinas de agua con alto porcentaje de cal, donde deben permanecer por 7 o 28 días, puesto que las características mecánicas del cemento se testean por la norme NCh 148 en esos periodos. Las probetas deben retirarse del agua menos de 15 minutos antes del ensayo.

2.- Procedimiento de ensayo

Para el ensayo de flexión se utilizará la siguiente máquina. Esta debe cumplir con una precisión de +1%, y consta de dos rodillos en la base y uno arriba, equidistante de los otros dos. La carga se realiza a una velocidad de 5 ± 1 kg/s mediante el rodillo superior. Se introduce la probeta como se ve en la imagen, y se carga hasta que se rompa en un sector central, en dos fragmentos.

Figura I: Máquina flectora. Para la probeta testeada en esta experiencia, se obtuvo una resistencia a flexión de 2,706 kN, se escriben como kgf/cm^2 mediante las relaciones 0,234*P ó 0,250*P, que dependen de la distancia entre los apoyos, y donde P es la carga en kgf. Para un mismo cemento, se debe testear como mínimo 3 probetas a 7 días y 3 más a 28 días, dado que se da un fenómeno de conversión o aumento de porosidad.

Posteriormente, los fragmentos que quedan del ensayo de flexión son sometidos al ensayo de compresión por separado. La máquina de compresión debe trabajar con una precisión de ± 1,5 %, y se compone de dos placas, hechas de acero de alta dureza o de carburo de tungsteno, de ancho 40 mm, longitud superior a 40 mm y espesor de 10 mm. Estas placas comprimen la probeta haciendo aumentar la presión entre 10 y 20 kgf/cm^2 por segundo.

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Figura II: Esquema de máquina de compresión.

Los resultados para los dos fragmentos que restaron de la probeta inicial, entregaron una resistencia a compresión de 33,9 kN y 34,7 kN. Al igual que para la flexión, este ensayo se hace con los fragmentos de 3 probetas de 7 y 28 días.

Ensayo de tiempo de fraguado

Este ensayo consta de dos partes, determinar la consistencia normal del cemento, y luego el inicio del tiempo de fraguado. Para ambas partes, el implemento a utilizar será el aparato de VICAT, que consiste en un armazón provisto de una sonda que se deja caer sobre la pasta de cemento, y se analiza la profundidad con la que penetra.

Figura III: Aparato de Vicat.

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Determinación de consistencia normal

Este procedimiento se rige por la norma NCh 151. Primero se realiza una pasta, mezclando 500 gramos de cemento con una cantidad arbitraria pero conocida de agua. Esta mezcla se hace de la siguiente forma.

30 segundos en reposo 30 segundos de mezclado 15 segundos de reposo para raspar los bordes 60 segundos a velocidad rápida

En este estado, la pasta es llevada a un molde de 40 mm de alto, y se enrasa. Luego se lleva al aparato de Vicat, y se deja caer sobre la pasta, la aguja o sonda, contando 30 segundos desde que hace contacto con la superficie. Al pasar ese tiempo, se retira y se ve cuánto penetró en el cemento, y por tanto, a qué distancia del fondo se detuvo. La norma define como consistencia normal, a que la aguja se detenga a 6 ± 1 mm del fondo. Por tanto, la consistencia normal consiste en la determinación de la cantidad de agua necesaria para lograrla, mientras más fino sea el grano de arena, más agua será necesaria.

En la experiencia de laboratorio, se presenció una prueba a una pasta, y el resultado fue que la aguja se detuvo a 13 mm del fondo, lo que significa que hay que rehacer la pasta con una cantidad mayor de agua.

Determinación de tiempos de inicio y fin de fraguado

Este procedimiento está regulado por la norma NCh 152. Primero, se prepara una pasta de consistencia normal, con el mismo procedimiento del ensayo anterior, y se lleva a un molde de iguales características. Así se lleva a la cámara húmeda por un cierto tiempo. Luego se lleva al aparato de Vicat, y se hacen mediciones repetidas cada 10 minutos de la penetración de la aguja en la muestra, de la misma forma de la determinación de consistencia.

Luego, se dice que el inicio del proceso de fraguado se alcanza cuando la aguja se detiene a 4 ± 1 mm del fondo de la muestra. Este tiempo se toma en cuenta desde el inicio de la mezcla de la pasta. Generalmente para los cementos chilenos, este tiempo varía entre 1 y 4 horas, en cambio los cementos argentinos son los que poseen el tiempo de inicio de fraguado más largo con 4-5 horas. Para acelerar o retardar ese tiempo se agregan aditivos al material.

Para el final del fraguado, se efectuará con la probeta invertida y con una zona diferente. Esta sonda posee una punta que es un círculo, con un punto al medio. Se dirá que el fraguado llego a su fin, cuando al dejar la sonda en contacto con la superficie de la muestra, el único rastro que quede sea el punto central, y no el círculo.

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Para la norma NCh 148 sobre el cemento, se esperan los siguientes valores de fraguado y resistencia mecánica.

Tabla II: Valores permitidos por la norma chilena.

Ensayo de expansión en autoclave

Este ensayo está regido por la norma NCh 157. Primero consiste en la preparación de una pasta de consistencia normal, que es llevada por dos capas al molde de la probeta, donde es llevada a la cámara húmeda por 24 horas, y luego se desmolda. Esa probeta tiene una longitud de 28,6 cm reales, para obtener una longitud efectiva de 25,4 cm, y sección cuadrada de 2,54 cm. Se le inserta además, referencias de acero inoxidable en los extremos, que coincidan con su eje, de 0,64 cm de diámetro y 1,6 cm de largo.

La probeta luego del desmolde, se lleva a un comparador de longitud, para tener su medida inicial, en base a una barra patrón. Luego se lleva en una rejilla a la autoclave. La autoclave consiste en una caldera de vapor a altas presiones con una válvula que abre o cierra el paso de aire, análoga a una olla a presión casera. En un inicio se deja a válvula abierta, luego se cierra y se aumenta la temperatura gradualmente. La máquina se detiene a las 800 libras de presión. Luego se abre la válvula y se deja volver a la presión atmosférica. Finalmente se sacan las probetas y se llevan a agua caliente. Se anota la hora de inicio y término de funcionamiento de la autoclave.

Con la probeta afuera se vuelve a medir su longitud con el comparador, y se encuentra una expansión porcentual respecto al instante inicial. La norma exige que la expansión máxima sea del 1% aunque en general, la expansión es de 0,1-0,11%

Otros

Existen más ensayos de tipo químico, que no fueron analizados por esta experiencia. Incluyen peso específico (NCh 154), indeformabilidad al vapor de agua (NCh 153), superficie específica (NCh 149), etc.

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Análisis y Conclusiones

Se concluye que se logró objetivo de entender el proceso de elaboración de una probeta de cemento desde un mortero, y se pudo presenciar la realización de los diferentes tipos de ensayos que se le realizan en los laboratorios del IDIEM. Se pudo ver como se ensayaba de forma mecánica para encontrar su resistencia a flexión y compresión, y como se determinaba su tiempo de fraguado. Todos estos procesos están estrictamente regidos por la normativa chilena, y el IDIEM está acreditado para hacer los ensayos.

En cuanto al comportamiento del cemento durante las pruebas, se ve que es un material que endurece y fragua en diferentes ambientes, y además se ve, de los resultados de los ensayos mecánicos, que posee una alta resistencia a la compresión, mientras que la resistencia a flexión es bastante menor, lo que se puede deber a la tremenda compactación que se genera entre sus moléculas al momento en que estas recristalizan con agua.

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Bibliografía

Normativa chilena respecto al cemento1. NCh 148: Cemento, Terminología, Clasificación y Especificaciones Generales. 19692. NCh 158: Ensayo de flexión y compresión de morteros de cemento. 19683. NCh 151: Método de determinación de la consistencia normal. 19694. NCh 152: Método de determinación del tiempo de fraguado. 19715. NCh 157: Ensayo de expansión en autoclave. 1968

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