CEMENTO DEFINICION NA N ATURAL: Es cualquier material aglomerante, aglutinante capaz de unir fragmentos de propie propiedad dades es físic físicas as difere diferentes ntes.. Entre estos estos tenemos tenemos a las caliz calizas as naturales calcinadas. DEFINICION QUIMICA: Es un compuesto con propiedades adhesivas que tiene la capacidad de unir fragmento en forma sólida o en forma líquida. En esta categoria tenemos el cemento duco, duco, acrílico (pegadit), (pegadit), la cal cal y el cemento asfáltico (asfalto).
DEFINICION DE INGENIERIA: El cemento se conoce como cemento portlan. Es una mezcla de calizas y arcillas pulverizadas a grandes temperaturas, con adición de yeso que que al entr entrar ar en con onttacto acto con con el agu agua, desa desarr rroolla lla la capa capaci ciddad de unir nir fragmentos de grava y arena, para formas un sólido único o piedra artificial, conocida con el nombre de concreto concr eto hidraúlico. CEMENTO PORTLAND:
El cemento Portland es llamado así puesto que tiene un parecido con una piedra piedra natural que se encuentra en Inglaterra, Inglaterra, precisamente precisamente en Portland, Portland, se le denomina aglomerante hidráulico ya que es capaz de desarrollar todas sus propiedades en presencia del agua como son el Fraguado y Endurecimiento. La definición es la misma que tiene el cemento Actual.
RESEÑA HISTORICA DEL CEMENTO: CEMENTO : El origen del cementoes tan antiguo, como la humanidad ya que la necesidad que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así como las estructuras necesarias para su progreso, ha constituido el factor principal en la búsqueda de materiales para esta finalidad. Su no nomb mbre re prim primit itiv ivoo, o mejo mejorr dich dichoo su orig origen en vien vienee de la ceni ceniza za calcinada, el cual era observado porque en la noche el hombre armaba fuegos, fuegos, al quedar la ceniza calcinada calcinada y mezclada mezclada con la lluvia nocturna, se endurecía, La cal común se obtiene al calcinar la piedra caliza, la diferencia entre la cal común y la cal hidráulica radica en que la cal común se endurece en presencia de CO contenido en el aire y por lo tanto no puede ocurrir bajo el agua; la cal hidráulica por proceder de calizas impuras, se endurece por la reacción que se produce entre los elementos constitutivos, lo cual permite que su fraguado pueda darse bajo agua; de ahí procede el nombre de cal hidráulica. Los Egipcios usaron el yeso además de la cal. Tanto los Romanos como los Griegos mezclaban cal con cenizas volcánicas o con tejas de arcillas quemadas, obteniendo un material de condiciones muy superiores a los de la cal
El cemento Portland es llamado así puesto que tiene un parecido con una piedra piedra natural que se encuentra en Inglaterra, Inglaterra, precisamente precisamente en Portland, Portland, se le denomina aglomerante hidráulico ya que es capaz de desarrollar todas sus propiedades en presencia del agua como son el Fraguado y Endurecimiento. La definición es la misma que tiene el cemento Actual.
RESEÑA HISTORICA DEL CEMENTO: CEMENTO : El origen del cementoes tan antiguo, como la humanidad ya que la necesidad que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así como las estructuras necesarias para su progreso, ha constituido el factor principal en la búsqueda de materiales para esta finalidad. Su no nomb mbre re prim primit itiv ivoo, o mejo mejorr dich dichoo su orig origen en vien vienee de la ceni ceniza za calcinada, el cual era observado porque en la noche el hombre armaba fuegos, fuegos, al quedar la ceniza calcinada calcinada y mezclada mezclada con la lluvia nocturna, se endurecía, La cal común se obtiene al calcinar la piedra caliza, la diferencia entre la cal común y la cal hidráulica radica en que la cal común se endurece en presencia de CO contenido en el aire y por lo tanto no puede ocurrir bajo el agua; la cal hidráulica por proceder de calizas impuras, se endurece por la reacción que se produce entre los elementos constitutivos, lo cual permite que su fraguado pueda darse bajo agua; de ahí procede el nombre de cal hidráulica. Los Egipcios usaron el yeso además de la cal. Tanto los Romanos como los Griegos mezclaban cal con cenizas volcánicas o con tejas de arcillas quemadas, obteniendo un material de condiciones muy superiores a los de la cal
común. La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas y en las tejas con la cal para producir lo que es conocido como cemento puzolánico, proveniente del nombre de Puzzuoli ciudad que queda en el Golfo de Nápoles, Italia, cerca del Vesubio. en este sitio los Romanos extraían el material volcánico que mezclaban con la cal, estos utilizaron éste cemento para para construir el Coliseo de Roma Roma y el Pont du Gard. Los Los Griegos obtenían estos materiales en la Isla Santorin. En la edad media hubo una disminución general en la calidad y uso del cemen cemento to.. En 17 1756 56 Jhon Jhon Sm Smea eato tonn enco encontr ntróó qu quee el mejo mejorr mo morte rtero ro se obtenía obtenía cuando se mezclaba mezclaba puzolan puzolanaa con caliza caliza que contenía contenía una alta cantidad de material arcilloso, Smeaton fue el primero en conocer las propi propieda edades des quí químic micas as de la cal hid hidráu ráulic lica. a. Po Poster sterior iormente mente en 18 1824 24,, conoci cióó los estu studios ios de Smeat meaton on y cont contin inuo uo las Jhose Jhosep p Aspin Aspin cono investigaciones llegando a obtener un material que al mezclarlo con el agua reaccionaba dando lugar al endurecimiento de la pasta producida. Este Este mater materia iall endu endurec recid idoo pres present entab abaa un aspe aspect ctoo simi simila larr al de un unas as pie piedra drass de cons constru trucc cció iónn extra extraíd ídas as en Ingl Inglate aterra rra,, en la loca locali lida dadd de Portland.. El prototipo del cemento moderno fue obtenido en 1845 por Isaac Johnson, quien quemo una mezcla de arcilla y caliza hasta la forma formaci ción ón del del clink clinker er.. En gene genera rall el ceme cemento nto po portl rtlan and, d, conce concebi bido do originalmente por la semejanza de color y calidad entre el cemento fraguado y la piedra de portland, éste cemento se ha conservado en nuestros días para describir un cemento obtenido en la mezcla minuciosa de materiales calcáreos y arcillosos y otros materiales que contienen
sílice, alúmina y quemándolos a una temperatura da la formación del clinker. En 1860-1880 Le Chatelier investigo acerca del peso específico del cemento, Vicat acerca del fraguado, Abrahams acerca de la relación agua cemento, en USA se encuentra la PCA (asociación de Cemento Portland), en Suiza se encuentra las casas de aditivos (sika y Toxement), en Colombia tenemos las cementeras: Samper, diamante, Boyacá, Toluviejo, colclinker. En USA, existe la PCA En Inglatera, existe la BRITISTL En Suiza, existe SIKA y TOXEMENT
Las 4 instituciones que rigen las producciones del cemento son: I.C.P.C = Industria Colombiana de Producción del Cemento. ICONTEC = Instituto Colombiano de Normas Técnicas. C.C.C.S.R = Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistente.
ASOCRETO = Asociación Colombiana de Productores de Concreto.
FABRICACION DEL CEMENTO: El cemento es la combinación entre la cal (caliza) más sílice (arcilla), las calizas son grandes piedras y se consiguen como rocas mientras que las arcillas son más sueltas y se consiguen como barros. Cuando se está fabricando el cemento se les agregan otras adiciones (cenizas volcánicas, puzolanas, escorias de alto horno), que cumplen con diferentes funciones especiales. Estas materias primas se someten a un proceso de clinkerización (a altas temperaturas), todo esto va a producir un polvo gris oscuro, que fragua muy rápidamente con el agua, al finalizar este proceso se le adiciona yeso con el fin de retardar el tiempo de fraguado.
ETAPAS DE LA FABRICACION DEL CEMENTO:
1. EXPLOTACION DE MATERIAS PRIMAS: Consiste en la extracción de las piedras calizas y las arcillas de los depósitos o canteras, las cuales dependiendo de sus condiciones físicas se
hacen los diferentes sistemas de explotación, luego el material se transporta a la fábrica.
2. PREPARACION Y CLASIFICACION DE LAS MATERIAS PRIMAS: Una vez extraídos los materiales, en la fábrica se reduce el tamaño de la caliza siguiendo ciertas especificaciones dada para la fabricación. Su tamaño se reduce con la trituración hasta que su tamaño oscile entre 5 a 10mm.
3. HOMOGENIZACION: Consiste en hacer mezcla de las arcillas y calizas, que ya han sido trituradas, se lleva por medio de bandas transportadoras o molinos, con el objetivo de reducir su tamaño hasta el orden de diámetro de medio milímetro. En ésta etapa se establece la primera gran diferencia de los sistemas de producción del cemento, (procesos húmedos y procesos secos).
4. CLINKERIZACION:
Consiste en llevar la mezcla homogeneizada a hornos rotatorios a grandes temperaturas aproximadamente a 1450°C, en la parte final del horno se produce la fusión de varios de los componentes y se forman gránulos de 1 a 3 cm de diámetro, conocido con el nombre de clinker.
5. ENFRIAMIENTO: Después que ocurre el proceso de clinkerización a altas temperaturas, viene el proceso de enfriamiento en la cual consiste en una disminución de la temperatura para poder trabajar con el material, éste enfriamiento se acelera con equipos especializados. 6. ADICIONES FINALES Y MOLIENDA: Una vez que el clinker se halla enfriado, se prosigue a obtener la finura del cemento, en la cual consiste en moler el clinker, después se le adiciona yeso con el fin de retardar el tiempo de fraguado. 7. EMPAQUE Y DISTRIBUCION: Esta última etapa consiste en empacar el cemento fabricado en bolsas de 50 kilo, teniendo mucho cuidado con diversos factores que puedan afectar la calidad del cemento, luego se transporta y se distribuye con cuidados especiales.
COMPOSICION QUIMICA: El cemento se compone: Arcilla: Son silicatos hidratados de alúmina y de cal.
LOS COMPUESTOS DEL CEMENTO:
SILICATO TRICALCICO (c3 S) SILICATO BICALCICO (c2 A)
3CaOSiO2 2CaOSiO2
ALUMINATO (c3 A) 3CaOAl2O3 TRICALCICO FERROALUMINATO (c4 AF) TETRACALCICO
4CaOAl2O3Fe2O3
La composición anterior como compuestos de Bogue. Según Bogue se producen tres fases química del cemento. FASES ALITA BELITA FERRITA FASES
BASE DE LA FASE C3 S C2S C4AF
% EN EL CEMENTO 75% 20% 5%
MENORES
EL C3 S se hidrata más rápidamente que el C 2 S, lo que ayuda al tiempo de fraguado y de su resistencia inicial. La acción endurecedora del C 3 S es de 24 horas a siete días, mientras que la del C 2 S es de 7 a 28 días. El C4 AF cumple con una función catalizadora y aporta poca resistencia al concreto.
CAMBIOS OCURRIDOS EN EL PROCESO DE CLINKERIZACION DENTRO DEL HORNO ROTATORIO
TEMPERATURA 100°C > 500°C 800°C > 900°C
PROCESO Evapoiacionde agua libre Desidratación de los minerales arcillosos liberación de CO 2 Cristalización de los
REACCION endotermica endotermica exotermica exotermica
productos minerales descompuestos Descomposición de
endotermica
900°C A 1200°C
carbonatos Reacción de CaO con los
exotermica
1250°C A 1280 °C
silicoaluminatos Se inicia la formación de
endotermica
1280°C A 1500 °C
liquidos Formación de liquidos y de los compuestos del cemento (Clinkerización)
endotermica
TIPOS DE CEMENTO PORTLAND: Los Cementos Portland por lo general, se fabrican en cinco tipos cuyas propiedades se han normalizado sobre la base de la especificaciones
ASTEM de normas para Cemento Portland (c 150). Los tipos se distinguen según los requisitos tanto físicos como químicos.
PORTLAND TIPO I: Es un cemento normal, se produce por la adición de clinker más yeso. De uso general en todas las obras de ingeniería donde no se requiera miembros especiales. De 1 a 28 días realiza 1 al 100% de su resistencia relativa.
PORTLAND TIPO II: Cemento modificado para usos generales. Resiste moderadamente la acción de los sulfatos, se emplea también cuando se requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo II adquiere resistencia mas lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma resistencia. Las características de este Tipo de cemento se logran al imponer modificaciones en el contenido de Aluminato Tricalcico (C 3A) y el Silicato Tricalcico (C 3S) del cemento. Se utiliza en alcantarillados, tubos, zonas industriales. realiza del 75 al 100% de su resistencia.
PORTLAND TIPO III:
Cemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando se necesita una resistencia temprana en una situación particular de construcción. El concreto hecho con el cemento Tipo III desarrolla una resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretos hechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento Tipo III aumenta la resistencia inicial por encima de lo normal, luego se va normalizando hasta alcanzar la resistencia normal. Esta alta resistencia inicial se logra al aumentar el contenido de C 3S y C 3A en el cemento, al molerlo mas fino; las especificaciones no exigen un mínimo de finura pero se advierte un limite practico cuando las partículas son tan pequeñas que una cantidad muy pequeña de humedad prehidratada el cemento durante el almacenamiento manejo. Dado a que tiene un gran desprendimiento de calor el cemento Tipo III no se debe usar en grandes volúmenes. Con 15% de C3A presenta una mala resistencia al sulfato. El contenido de C 3A puede limitarse al 8% para obtener una resistencia moderada al sulfato o al 15% cuando se requiera alta resistencia al mismo,su resistencia es del 90 al 100%. PORTLAND TIPO IV : Cemento de bajo calor de hidratación se ha perfeccionado para usarse en concretos masivos. El bajo calor de hidratación de Tipo IV se logra limitándolos compuestos que mas influye en la formación de calor por hidratación, o sea, C 3A y C3S. Dado que estos compuestos también
producen la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. El calor de hidratación del cemento Tipo IV suele ser de mas o menos el 80% del Tipo II, el 65% del Tipo I y 55% del Tipo III durante la primera semana de hidratación. Los porcentajes son un poco mayores después de mas o menos un año. Es utilizado en grandes obras, moles de concreto, en presas o túneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días es de 55 a 75%.
PORTLAND TIPO V : Cemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos, se especifica cuando hay exposición intensa a los sulfatos. Las aplicaciones típicas comprenden las estructuras hidráulicas expuestas a aguas con alto contenido de álcalis y estructuras expuestas al agua de mar. La resistencia al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el contenido de C 3A, pues este compuesto es el mas susceptible al ataque por el sulfato. Realiza su resistencia relativa del 65 al 85 %.
TIPOS DE CEMENTOS ESPECIALES
CEMENTO PORTLAND BLANCO :
Es el mismo Portland regular, lo que defiere es el color, esto se obtiene por medio del color de la manufactura, obteniendo el menor numero de materias primas que llevan hierro y oxido de magnesio, que son los que le dan la coloración gris al cemento. Este cemento se usa específicamente para acabados arquitectónicos tales como estuco, pisos y concretos decorativos.
CEMENTO PORTLAND DE ESCORIA DE ALTO HORNO : Es obtenido por la pulverización conjunta del clinker portland y escoria granulada finamente molida con adición de sulfato de calcio. El contenido de la escoria granulada de alto horno debe estar comprendido entre el 15% y el 85% de la masa total.
CEMENTO SIDERÚRGICO SUPERSULFATADO : Obtenido mediante la pulverización de escoria granulada de alto horno, con pequeñas cantidades apreciables de sulfato de calcio.
CEMENTO PORTLAND PUZOLANICO : Se obtiene con la molienda del clinker con la puzolana. Tiene resistencia parecida al cemento normal y resistente ataques al agua de mar, lo que lo hace aconsejable para construcciones costeras. Para que el cemento sea puzolanico debe contener entre el 15% y el 50% de la masa total. El cemento puzolanico se utiliza en construcciones que están en contactos directos con el agua, dada su resistencia tan alta en medios húmedos.
CEMENTO PORTLAND ADICIONADO : Obtenido de la pulverización del clinker portland conjuntamente con materiales arcillosos o calcareos-silicos-aluminosos.
CEMENTO ALUMINOSO :
Es el formado por el clinker aluminoso pulverizado el cual le da propiedad de tener alta resistencia inicial. Es también resistente a la acción de los sulfatos así como a las altas temperaturas.
PROPIEDADES FISICAS DEL CEMENTO
FINURA DEL CEMENTO (SUPERFICIE ESPECIFICA) La finura se define como la medida o tamaño de las partículas que componen el cemento ; se expresa en cm²/gr lo cual llamamos superficie de contactos o superficies especificas ; esto se refleja en el proceso de hidratación del cemento ya que la mayor superficie de contacto mejor y mas rápida es el tiempo de fraguado. Es la cantidad de área expuesta al contacto con el agua en una determinada masa de cemento. Entre mas fino sea el cemento mas rápido es el contacto con el agua. Entre mayor sea la superficie de contacto mayor es la finura del cemento. En 28 días un cemento a cumplido el 90% de su hidratación, el otro 10% puede tardar años.
METODOS PARA DETERMINAR LA FINURA DEL CEMENTO
PERMEAMETRO DE BLAINE. Es un aparato para determinar la superficie especifica del cemento, basado en la Permeabilidad (permisibidad que tiene una sustancia para permitir el paso de otra a través de sus poros) de una capa de cemento en cierto grado de compactación al paso del aire. El principio de este método consiste en hacer pasar una cantidad determinada de aire a través de una capa de cemento de porosidad definida. La cantidad y el tamaño de los poros existentes en dicha capa, son función del tamaño de las partículas y determinan el gasto de aire a través de la capa. El cemento se coloca en un recipiente, éste es compactado por un émbolo y mediante una pera de caucho conectada se hace pasar aire el cual al pasar mueve un liquido que se encuentra en un manometro o instalado al recipiente.
TURBIDIMETRO DE WAGNER.
Consiste fundamentalmente en una fuente de luz de intensidad constante, ajustada de tal manera que produce un haz de rayos paralelos que pasan a través de una muestra de cemento en suspención y llegan a una fotocelda. La corriente generada por la fotocelda se debe medir con un Microamperímetro cuya lectura indica la medida de la Turbidez de la suspención.
FORMULA DE CARMAN . 3
14 SW =
Donde
ρ
ε
× A × h1
K × L × h2 × ( 1 − ε )
ρ = Peso específico del cemento. ε = Porosidad de la capa.
A = Area de la sección transversal del estrato o capa L = Longitud de la muestra o capa. .h1 = Caída de presión en la capa. .h2 = Caída de presión en el medidor. K = Constante de fabricación del aparato. Para fines prácticos se formó un método más práctico, que fue el del tamiz # 200, que consiste en pasar una masa de cemento por éste tamiz
que tiene 200 abertura por una pulgada lineal, se resta dela masa inicial y el residuo es la que se llama finura del cemento. Los límites de la finura son 225 - 300 m²/kg. La finura debe ser mayor al 95%.
PESO ESPECIFICO O DENSIDAD APARENTE DEL CEMENTO : El peso específico expresa la relación entre la muestra de cemento y el volumen absoluto. ρ=m/V
absoluto.
Donde : m = muestra del cemento. V absoluto = Volumen de la materia sólida. El peso específico del cemento debe estar entre 3.10 a 3.15 gr/cm³ . El valor del peso específico no indica la calidad de un tipo de cemento, sino que su valor es usado para el diseño de la mezcla . Con el valor del peso específico se pueden encontrar otra características del concreto. Se puede decir a manera de conclusión de que el cemento utilizado en el laboratorio, es un cemento adicionado. Un bajo valor de densidad absoluta nos indica poca presencia del clinker y alta de yeso.
METODOS PARA DETERMINAR EL PESO ESPECIFICO
Para determinar el peso específico del cemento existen cuatro métodos: 1. Método De Le Chetalier. 2. Método de Schuman. 3. Método de Candlot. 4. Método Picnómetro. Todos los métodos anteriores tienen la misma finalidad , que es determinar el volumen del líquido que desplaza una cantidad de cemento, el líquido no debe reaccionar con el cemento, los más utilizados son el De Le Chetalier y el de Picnómetro .
CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO Al agregar agua al cemento se produce una pasta ( cemento + agua ), contiene fluídez a medida que se le va aumentando el contenido de agua. La consistencia normal es un estado de fluídez alcanzado por la pasta del cemento que tiene una propiedad optima de hidratación . Se expresa
como un porcentaje en peso o volumen de agua con relación al peso seco del cemento. Wagua / Wcemento = % Consistencia Normal . Por ejemplo 30% de la consistencia significa que por cada 100gr de cemento hay que agregar el 30% de agua. El factores que influye en la consistencia normal del cemento puede ser la finura. Los que determinan la consistencia son: La viscosidad en la pasta (cemento). La lubricación en los agregados (concreto).
Los valores de la consistencia normal no dependen del tipo del cemento.
Ww Wc
= % C. N . = 30%
Los valores normales de esta se encuentran entre el 24% y el 32%. La consistencia Normal no es un parámetro para medir la calidad del cemento pero si para medir el tiempo de fraguado y la resistencia mecánica.
AGUA Es el elemento que le da el nombre a los tipos de cemento hidratados, por eso se llama cemento hidráulico. En el concreto el agua es el elemento en virtud del cual el cemento experimenta series de reacciones químicas que le dan la propiedad de fraguar y endurecer para producir un sólido único con los agregados.
DIVISION DEL AGUA EN EL CONCRETO El agua en el concreto se divide en agua de Mezclado y agua de Curado.
AGUA DE MEZCLADO Corresponde al diseño original de la mezcla, es el volumen de agua por metro cúbico de concreto (M³ ×Vol )en el diseño de concreto, tiene dos fases:
AGUA DE HIDRATACIÓN : Es la que reacciona químicamente con el cemento, el que lo hidrata formando lo que se denomina el gel o pasta hidratada. Recibe el nombre de no evaporable porque a una temperatura de 110°C no se produce evaporación.
Agua Evaporable : Es la parte de agua de mezclado que es capaz de ebullir a 110°C . Se divide en tres fases : Agua de Absorción : Es una capa molecular de agua que es atraída por el gel del cemento. Agua Capilar : Es la que ocupa los poros entre los granos del cemento . Las aguas de absorción y capilares ocupan un 77% dentro de estas aguas.
Agua Libre : Es la que realmente evapora , o sea la que se pierde dentro del agua de mezclado en " Condiciones de Secado ".
AGUA DE CURADO Es el agua que necesita el concreto para hidratar eficientemente el cemento. Toda reaccion de hidratación del cemento o pasta se produce por : C3A (produce endurecimiento rápido y debe ser controlado por yeso). C2 S y C3 S , ayudan para el proceso de fraguado después que se halla producido la hidratación C 3 A. El agua en el concreto debe de ser mínimo del 48%, hay tres factores que influyen en la cantidad de agua en una mezcla, como es la relación A/C , la humedad ambiental y la diferencia de densidades de los materiales constituyentes. PROPIEDADES: Las que se usarán para fabricar la mezcla del concreto debe tener por lo menos los siguientes requisítos: - Sedimentos menos de 2000 partes por millon.
- Carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, sales de hierro y sal; es inorgánicas son totalmente indeseables ya que se producen bajas resistencia, retardo del fraguado, inclusive corrohen el acero de refuerzo.
TIPOS DE AGUAS : 1)
Aguas Acidas
(PH en 6-8) Rompen el concreto y las aguas básicas retardan el fraguado. 2) Agua con azúcar Retarda el fraguado y disminuye la resistencia . 3) Aguas básicas : Retardan el tiempo de fraguado.
4) Agua con aceite Disminuye la resistencia final hasta un 20%. 5) Aguas Negras o Servidas
Descartadas. A menos que la concentración se menor de 200 partes por millon ( queda a criterio del ingeniero ) 6) Aguas de mar Si se puede utilizar , pero en la actualidad no se utiliza porque corrohen el acero de refuerzo. Mantienen su resistencia y su fraguado, producen manchas. Todos los parámetros anteriores están normalizados por : ASTM ( D-511, D-512 , D-516 , D-1129 , etc. ) , estos límites indican el contenido de agua para ser utilizado en una mezcla de concreto.
ADITIVOS Es un Producto químico que se adiciona al concreto o al mortero antes o durante su mezcla. El objetivo de utilizar un aditivo es producir una mejoría en la mezcla según sea la necesidad que no se puede obtener mediante el ajuste de la proporción de la mezcla básica, sin producir un efecto adverso en cualquier otra característica del concreto, se empezó a usar mediados siglo XX y se adiciona al agua o a la mezcla siempre en un % al peso del cemento.
CLASIFICACION DE LOS ADITIVOS : 1) Acelerante : Rápido fraguado y obtención de resistencia a temprana edad (túneles, puentes). 2) Permeavilizantes : Se adiciona a la mezcla para disminuir el paso de agua a través de los elementos fabricados (tanques, piscinas, baños). 3) Retardantes : Se utiliza en las centrales de mezcla para reducir el tiempo de fraguado y permitir el transporte y bombeo. 4) Plastificantes : Cuando hay necesidad de reducir el agua de mezclado. 5) Incorporadores de aire : Disminuyen la porosidad en el momento de fraguado y adicionan manejabilidad.
FRAGUADO Es el Fenómeno por medio del cual la pasta de cemento cambia de plástico a endurecido, es posterior al fenómeno de hidratación.
La importacia es conocer los tiempos de fraguados, los iniciales y los finales. El tiempo de fraguado del cemento y del concreto son los mismo.
TIEMPO DE FRAGUADO: 1) Fraguado Inicial : Es el transcurrido desde la adición del agua hasta alcanzar el estado de plasticidad y semídureza, durante este tiempo la pasta se deforma fácilmente por la acción de pequeñas cargas. Se mide con el aparato de Vicat. Este significa, el tiempo de que disponemos para fabricar, transportar, vibrar y colocar el concreto en las obras. 2) Fraguado Final : Va desde el fraguado inicial hasta que la pasta se endurezca y se vuelva indeformable, en este lapso se produce la unión con los agregados en una mezcla de concreto. se desarrolla toda la resistencia mecánica del cemento a los 28 días. Entre los factores que afectan el fraguado tenemos:
FACTORES QUE AFECTAN EL FRAGUADO : 1) Composición Química : C3S, C2S, CaSO4, dependiendo de las proporciones de los componentes del cemento.
2) Finura del cemento : Entre más fino sea el cemento , más rapido va a ser la penetración y el tiempo de fraguado inicial es más rapido.
3) Cantidad de agua de amasado : Entre más agua haya en una mezcla se va a producir más rapido la pasta del cemento, afecta la resistencia y la consistencia.
4) La temperatura ambiente : Entre mas baja sea la temperatura el fraguado es mas demorado. A temperaturas bajo 0°C no fragua. Hay otros factores secundarios como es el tipo de agua. FALSO FRAGUADO : Es un fenómeno que produce un endurecimiento rápido y una rígidez prematura y anormal del cemento en los primeros minutos de su hidratación. Las propiedades de la pasta se reestablecen con el tiempo. Se debe a dos factores fundamentales : - A la falta de adición de yeso suficiente . - A la baja hidratación del clinker mediante la fabricación.
HIDRATACION : Es un fenómeno por el cual el cemento absorve el agua necesaria para que se realicen las reacciones químicas que le permiten desarrollar sus propiedades mecánicas, a estas reacciones se les conoce como "Reacciones de Hidratación". En presencia de agua , los compuesto del cemento (C 2 S , C3 S , C3 A y C4 AF ), se hidratan produciendo la pasta con el paso del tiempo . Se forma una masa y más tarde se endurece. Tenemos las siguientes reacciones de hidratación: Exotérmicas : Las que generan calor se les conoce como calo de hidratación ( cantidad de calor generada por una mezcla de aguacemento bajo unas condiciones de humedad y temperaturas determinadas, la establece la norma ASTM C-168. CALOR DE HIDRATACION : Cuando el agua y el cemento reaccionan , se generan un calor de hidratación en los procesos de fraguado y endurecimiento , en la cual puede ocurrir un incremento en la temperatura del concreto produciendose una rapida evaporación en el agua y cambios
volumétricos , que llevan a la contracción del material y su eventual agrietamiento.
CANTIDAD APROXIMADA DE CALOR GENERADA EN LOS PRIMEROS SIETE DIAS.
TIPO
CARACTERISTICA
% DE CALOR GENERADO
I
USO GENERAL
100
II
MODERADA RESISTENCIA A LOS
80 A 85
SULFATOS III
DESARROLLA ALTA FUERZAS INICIALES
150
IV
DESARROLLA BAJO CALOR DE
40 A 60
HIDRATACIÓN V
DESARROLLA ALTA RESISTENCIA A LOS SULFATOS
CALOR DE HIDRATACION DE LOS COMPUESTOS
60 A 75
COMPUESTOS C2 S
CALORES QUIMICAS ( CAL/GR) 62
C3 S C3 A C4 AF
120 207 100
ESTABILIDAD DE VOLUMEN Un cemento se considera estable cuando ningún elemento principal experimente expansión perjudicial o destructiva después de el fenómeno de hidratación. Los morteros y concretos normalmente al endurecer contraen su volumen produciendo un fenómeno conocido como Retracción, la cual es muy peligrosa porque puede llegar a producir grietas en el interior y en la superficie de los elementos estructurales ; por lo general ocurre entre los 2 o 3 primeros meses y alcanza a ser 0.015% en vol
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DEL CEMENTO : ♦ Composición
Química.
♦ Finura. ♦ Cantidad
de agua en la mezcla.
♦ Proporciones elementales de
mezcla.
♦ Condiciones de curado. ♦ Tiempo transcurrido.
ENSAYO DE EXPANSION DE AUTOCLAVE: Consiste en fabricar una barra de pasta de cemento. La barra se introduce en un horno llamado autoclave a una temperatura de 216°C y una presión de 20.8 Kg/cm²; la diferencia de longitudes antes y después del ensayo determina la expansión del cemento estudiado. E % = Lo - LF x 100 Lo Donde, Lo = Longitud inicial LF = Longitud final.
RESISTENCIA MECANICA:
( Norma Icontec 107 ).
Es la propiedad más importante del cemento endurecido en cuanto a los requísitos estructurales , la resistencia mécanica debe ser a la tracción , flexión y compresión. Es un requísito que debe cumplir todo cemento, todo se mide a la compresión y mide la calidad del cemento. La resistencia se hace sobre el mortero = agua + cemento + arena , se hace sobre cubos de 2"x2"x2", se hace sobre una arena normalizada de Ottawa , la mezcla se utiliza para trabajar en cubos de proporción 1:3 en volumen . A los 28 dias adquiere la resistencia al 100%. La resistencia mecánica del cemento es la propiedad más importante para el estudio del cemento desde el punto de vista estructural % Ingenieril, existen dos teorías sobre el desarrollo: 1.) Le Chatelier ( 1882 ): Se basa que los productos de hidratación tienen solubilidad más baja que los compuestos originales, por lo tanto después del fenómeno de hidratación se forman cristales alargados y entrelazados, que le dan la propiedad de adhesión y cohesión a la pasta. 2.) Michaellis ( 1893 ) : El agua saturada de cal, ataca a los silicatos, produciendo silicatos hidratados de calcio ( masa gelatinosa ), debido a la pérdida del agua, posteriormente se produce entonces un endurecimiento gradual el cual le da la propiedad de cohesión a la pasta. Enlaces Cohesivos : Son de dos tipos.
Físicos : Denominados fuerzas de Van Der Waal S. Químicos: Que es la atracción iónica. Desde el punto de vista Ingenieril, existen las siguientes resistencias: Tensión : Que se refiere a la resistencia del alargamiento en cualquier material. Flexión : Es la resistencia a dejarse doblar ó deformar. Compresión : La resistencia a no dejarse comprimir. La resistencia a la flexión depende de su resistencia a la compresión. Prueba Universal : Se hace para medir la resistencia del cemento en la resistencia a la compresión ( Norma Icontec 220 ). La prueba se le hace a la mezcla Agua+Cemento + Arena normalizada. Se deben preparar cubos de 2" de arista, con una proporción cemento-arena 1:2.75 en volumen y el agua: 48.5% cemento, peso y agua adicionada. Estos cubos se someten a la acción de una carga directa hasta que se produsca la falla. P falla R = Resistencia = P falla / A ( Kg/cm² ).
ADITIVOS Son sustancias o productos químicos los cuales se adicionan al concreto o al mortero , para modificar o mejorar algunas de sus propiedades originales. A mediado del siglo XX los aditivos se agregan al agua o a la mezcla y siempre con un porcentaje en peso del cemento.
CLASIFICACION DE LOS ADITIVOS: Se divide en cinco grandes grupos: 1. ADITIVOS ACELERANTE : Conducen a un rápido fraguado y a la obtención de resistencia a temprana edad. Se utiliza mucho en las construcciones de tuneles y puentes.
2. ADITIVOS IMPERMEABILIZANTE : Se adicionan a la mezcla para disminuir el peso del agua atravez de los elementos fabricados. Se utiliza en piscina, baños, para tanques de almacenamientos de aguas y en cimientos.
3. ADITIVOS RETARDANTES : Se utilizan en centrales de mezcla , para aumentar el tiempo de fraguado y permitir el transporte y bombeo del concreto .
4. ADITIVOS PLASTIFICANTES: Se utilizan cuando hay necesidad de reducir el agua de mezclado, hay una mayor manejabilidad en el concreto.
5. ADITIVOS INCORPORADORES DE AIRE : Disminuyen la porosidad de la mezcla en el momento de fraguado, lo cual traduce una disminución del riesgo de la corrosión y adicionan manejabilidad a la mezcla.
AGREGADOS Son partículas minerales que se le adicionan a la pasta ( cemento+ agua ) , para producir al endurecerse un sólido único o piedra artificial conocida
con el nombre de hormigón. La mayoría de los agregados constituyen entre el 70 a 80 % del volumen de la mezcla del concreto. Los agregados deben ser minerales inertes para que no se produzcan reacciones quimicas con el cemento.
FUNCIÓN : Los agregados tienen una acción determinante sobre las características del concreto tanto en estado plastico como en estado endurecido que en muchos casos modifica la estabilidad de la estructura. En estado plastico la arena y la pasta actuan como lubricante de las partículas más gruesas para que el concreto pueda ser mezclado , transportado , colocado, compactado y terminado en forma adecuada. Durante el proceso de fraguado la pasta experimenta una pérdida de húmedad que origina una contracción generalmente va acompañada con la aparición de grietas. Con la introducción de los agregados a la pasta se forma un trabazón de tal manera que se genera una superficie de adherencia que disminuye los cambios de volumen y se disminuye el volumen total que pueda sufrir por contracción. CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS SEGUN SU ORIGEN. Los agregados pueden ser naturales o artificiales.
- Agregados Naturales : Son los que se encuentran en la corteza terrestre (casi siempre en un mismo lugar de origen ), y sus partículas se forman por la acción directa con la naturaleza ó por proceso de trituración y fragmentación inducidos por el hombre , la mayoría de suu propiedades quimicas son iguales a la de la roca madre. A través de estos procesos se obtienen los verdaderos agregados tradicionales como gravas y arenas . - Agregados Artificiales : Reciben también el nombre de manofacturados y se obtienen a través de procesos industríales por fenómenos de licuefación y pulverización . Los minerales en este estado se llevan a los tamaños indicados y se vuelven a endurecer para su posterior utilización , de este grupo hacen parte la escoria de alto horno , arcillas expansibles , limaduras de hierro , humo de sílice , etc.
CLASIFICACION DE LOS AGREGADOS SEGUN SU TAMAÑO :
Se dividen en dos grandes grupos : gruesos y finos
- Agregado Grueso : Son materiales cuyas partículas tienen tamaños de 7.6 cm ( 3") a 4.76 mm. (# 4). Todo lo que esté por encima de 3" todavía no tiene condiciones para el concreto. Los agregados gruesos normales se utilizan 11/2 " a 3/8 ". - Agregado Fino : Materiales cuyas partículas estan entre el tamiz #4 y el tamiz # 200 es decir entre 4,76 mm y 0.074 mm. Los agregados finos menores de 0.074 mm no sirven para concretos ya que son demasiados finos. Los normales estan entre 3/8 " y él tamiz # 100. Los agregados finos siempre se van a conocer como arenas, los agregados finos menores de 0.074 mm generalmente son limos o arcillas cuyas partículas tienen ciertas características que interfieren en el proceso de hidratación del cemento, por esto se consideran perjudiciales.
Los agregados gruesos los conocemos como gravas y se denominan según su origen Triturado Calizo GRAVA
Canto Rodado (China )
ARENAS
Gruesa Media Fina
Las arenas gruesas y medias se utilizan para la fabricación del concreto, mientras que las finas se emplean para la pega de los bloques.
CLASIFICACION DE LOS AGREGADOS SEGUN SU DENSIDAD : Se divide en 3 grupos (ligero, normal, pesado) - Agregados Ligeros : Son aquellos cuya densidad está entre 500 - 1000 Kg/m³. Entre estos tenemos pizarras expandidas, esquistos, escorias, arcillas, pómez, perlita etc. Se utiliza en concreto de relleno o en mampostería estructural , concreto para aislamiento . - Agregado Normal : Son aquellos cuya densidad estan entre 1300 1600 Kg/m³. Se encuentran en gravas de trituración, arena de rio, clinker, escoria de fundición. Se utiliza en concreto de toda índole es decir concretos estructurales y no estructurales .
- Agregados Pesado: Son aquellos cuya densidad estan entre los 3000 7000 Kg / m3. Por lo general hay que fabricarlos , se utilizan en concretos especiales ( concreto para macizo de anclaje ) , que van a estar expuestos a rayos ultravioletas y radiaciones, ya que estos agregados son capaces de absorver estas radiaciones. Entre estos tenemos la barita, limonita, magnetita , limaduras de acero y hematita.
Región : Gruesos 1.5”-3/8” (trituran caliza, canto rodado), Finos 3/8”-#100 (arenas b/quilla, bayunca).
ORIGEN DE LOS AGREGADOS NATURALES En todo caso ya sea por la naturaleza o por la acción del hombre los agregados tienen su origen en la roca madre y se producen por procesos físicos como la interperización , arrastre de aguas y glaciales , esto hacen que conserven la constitución minerológica original de la roca y a través de estos procesos físicos se obtienen unicamente gravas y arenas. Los cambio se producen en la parte física ( forma , densidad ). Las propiedades físicas que se estudian en los cambios que se producen son por lo general : dureza, tenacidad , densidad , textura , porosidad. El origen de los agregados para el concreto estan condicionados por el denominado ciclo Roca -Suelo , parte del hecho que existe una roca
madre , estas rocas pueden ser ignéas, metemorfícas y sedimentarias, la roca sufre un intemperismo físico ya sea por acción del viento, temperatura opor la acción del hombre. A través de los procesos físicos obtenemos gravas y arenas. Cuando la rocas sufren un proceso químico las rocas sufren un ablandamiento ( arcilla y limos ) , y luego sufre un proceso de cementación. Los procesos físicos y químicos pueden producirse simultaneamente , o uno después de otro. Los agregados naturales conserva la mineralogía original de la roca madre pero por acción de los fenómenos fisicos hay cambios en la Dureza, Tenacidad, Densidad, Porosidad y Textura.
GRUPOS DIVERSOS DE AGREGADOS SEGÚN LA ROCA MADRE:
* Basáltico : Andesita y Basalto. * Pedervalino : Ortosa y Pedernal.
* Gabrico : Gabrico, Horblenda y la Penblotita. * Granítico: Canto rodado, Cuarzo y Diodita. * Arenisco: Arenisca, Arenillas y Tulas. *Hornofelico: Todas las rocas exceptuando el Mármol. * Calizo: Dolomita, Caliza y Mármol. * Porfirico: Reolita. * Cuarzoso: Arcilla refractaria y Cuarzo. * Esquistoso: Esquisto y Pizarra.
El origen de los suelos esta condicionado en la naturaleza por el ciclo de la Roca-Suelo.
CICLO ROCA SUELO
Meteorización
Descompociñón Quimica
Fragmentos
Cementacion
Limos
Fusión compactaciòn Grava Arena
Limos Arcilla
OBTENCION Y EXPLOTACION DE LOS AGREGADOS
CANTERA : Lugar geográfico donde se detecta la presencia de un yacimiento de agregado para concreto : Lo primero que se hace para una explotación de
una cantera es el estudio de los suelos. En este estudio se tienen en cuente dos parámetros importantes : - Extensión del manto o estrato de agregados. - Volumen (topografía ). Para explotar una cantera o banco se tienen en cuenta los siguientes aspectos básicos : - Clase del material requerido. - Facilidad de acceso. - Distancia de acarreo. - Derecho de propiedad. - Normas ambientales. - Uso de la tierra.
PROCESO DE EXPLOTACIÓN: Después de haber elegido la cantera viene el proceso de explotación que comienza con:
* Descapote: Consiste en retirar toda la capa vegetal y toda la materia orgánica que existe en la superficie ( 2m de profundidad). *Barrenado y Dinamitado: Se puede hacer por dos procesos : Manual o barreno y el dinamitado que es más industríal . En este proceso reducimos el tamaño de la piedra pero todavía no sirve como agregado.
* Excavación y Cargue: Buldozer, dragas, retroescavadoras para llevarlas a las volquetas para llevarlas a la cantera. * Transporte: De los grandes materiales dinamitados, las rocas. * Trituración: Se hace con quebradores (de quijadas, martillo y bolas ). En la trituración no se produce agregado triturados menores o iguales a 3".
* Zarandeo o cribado: En este proceso se hace la clasificación primaria del material , en agregado grueso y en agregado fino .
Calidad: Determinación de sus propiedades físicas. Se mide por la granulometria, humedad, contenido de material inorgánico, densidad, peso especifico, absorción, desgaste, dureza, etc.;.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS AGREGADOS Las propiedades física de los agregados que vamos estudiar relacionadas con la ingeniería civíl dependen de: - Tipo de obra que se va a construír . - Tipo de concreto que se desea fabricar.
Relación entre las propiedades del concreto y las propiedades de los agregados :
Propiedades del Concreto Resistencia Mecánica
Propiedades de los Agregados Den., Abs., Dur., Desg., Grad., Peso
Retracción Durabilidad Peso Unitario Economía Manejabilidad
Uni. Mod. Elast., Dur., For., Grad., Abs., Tam. Soli., Poro., Grad., Comp. Mineral. Grad., Tam. Max., Mod. Fin., Den., For. Tam. Max., Grad., For. Grad., Den., Mod. Fin., For., Tam. Max.
Den.¿ Densidad. Abs.¿ Absorción. Dur.¿ Dureza. Desg. ¿ Desgaste. Grad. ¿ Gradación. Peso Uni. ¿ Peso Unitario. Mod. Elast. ¿ Modulo de Elasticidad. For. ¿ Forma. Tam. Max. ¿ Tamaño Máximo. Mod. Fin. ¿ Modulo de Finura. Entre las propiedades anteriores vamos a estudiar : 1. Composición minerológica. 2. Gradación , tamaño máximo y módulo de finura . 3. Densidad y absorción. 4. Pesos unitario .
5. Dureza , sanidad y solidéz. 6. Forma y textura. 7. Reacción alcalína.
COMPOSICIÓN MINERALÓGICA Se conserva idéntica a la de la roca de origen, su importancia no radica en el estudio de si misma sino en su influencia en las demás propiedades. Se estudia en Geología. Minerales indeseables en los agregados : * Pirita. * Calcita. * Moscovita. * Yeso. * Azufre. * Ematita. * Carbón mineral. * Roca reactiva. Son indeseables porque reaccionan con el cemento o con el agua de la mezcla.
GRADACIÓN, TAMAÑO MÁXIMO Y MODULO DE FINURA.
GRADACIÓN : Se define como la distribución del tamaño de las partículas en una muestra de los agregados, también se le denomina granulometría de los suelos. Desde este punto de vista los agregados se dividen en : -
No uniforme = Bien gradados. Uniforme = Mal gradados.
- No Uniformes o Bien Gradados : Presentan gran variedad de tamaño en sus estructuras y son los agregados ideales desde el punto de vista ingenieril , ya que ofrecen un mejor comportamiento mecánico, debido a que los espacios entre los tamaño grandes son llenados por las partículas de tamaño menores . Su curva granulométrica tiene la forma aproximadamente de una S invertida suavemente horizontal. La anterior gradación corresponde a una densa o cerrada. Desde el punto de vista económico la gradación cerrada es mejor ya que se utiliza menos cemento.
Uniformes o Mal Gradados : Existen poca variedad de tamaños o esta es prácticamente nula. Puede darse por dos fenómenos : Porque todas las partículas tengan el mismo tamaño o porque existan deficiencia de tamaños intermedios. Su curva granulometrica es prácticamente vertical. Corresponde a lo que denomina una gradación incompleta o abierta. Puede darse por dos fenómenos : a.) Porque todas las partículas tengan el mismo tamaño. La granulometría es casi vertical en su curva , como gradación mala. b.) Exista deficiencia en los tamaños intermedios . La granulometría es abierta o incompleta.
TAMAÑO MAXIMO : Se refiere a los agregados grueso y tiene dos formas de hallarlos :
TAMAÑO MAXIMO REAL :
El tamaño máximo real corresponde a la lectura del menor tamiz que deja pasar el 100% de la muestra ensayada , para nuestro caso es de el tamiz 1½.
TAMAÑO MAXIMO NOMINAL : El tamaño máximo nominal es la dimensión del tamiz inmediatamente superior al menor tamiz cuyo porcentaje acumulado es del 15% o más . Tiene su aplicación para el diseño de la mezcla , por medio de la parábola de Fuller.
MODULO DE FINURA : Se refiere al agregado fino corresponde a la sumatoria de los porcentajes retenidos acumulados desde el tamiz 3/8” hasta el #100 dividido entre el 100%. Arena Fina
0,5 y 1,5
Arena Media
1,5 y 2,5
Arena Gruesa 2,5 y 3,5 (mezcla de grava).
La norma del modulo de finura es el intervalo 2,3 - 3,1. En caso para que la arena sea gruesa tiene que tener una mezcla de grava.
DENSIDAD Y ABSORCIÓN. Son propiedades que dependen directamente de las características de la roca madre. LA DENSIDAD : La densidad es la relación entre una masa determinada y el volumen ocupado por esa misma masa. La densidad tiene varios conceptos : Densidad Absoluta: Es la relación entre el peso de la masa sólida y el volumen ocupado exclusivamente por si misma . D abs. = Ps / Vs. Ps = Peso del sólido.
Vs = Vm - Vps - Vpns.
Vs = Volumen del sólido. Vm =Volumen de la parte sólida. Vps= Volumen de los poros saturables. Vpns= Volumen de los poros no saturables.
Densidad Nominal : Es la relación entre el peso de la masa sólida y el volumen ocupado por éste , sin incluir los poros saturables . D n = Ps / ( Vm - Vps ) . Densidad Aparente : Es la relación entre el peso del sólido y el volumen total , incluyendo los poros saturables y no saturables . DA = Ps / Vm. Desde el punto de vista ingenieríl la más utilizada es la densidad aparente , debido a que con ella se determina la cantidad de agregado en peso que se resista para fabricar un metro cúbico de concreto. Sus valores normales oscilan entre 2.3 a 2.8 gr / Cm3.
LA ABSORCIÓN : se define como la propiedad que tienen los agregados de atrapar el agua en sus poros durante un periodo de tiempo determinado (24 h). La absorción influye en el calculo de agua en la mezcla.
La densidad y la absorción influyen directamente sobre el peso unitario , resistencia mécanica , durabilidad y la dureza de los agregados .
PESO UNITARIO ( MASA UNITARIA ) : Define la relación entre una masa determinada de agregado con el volumen del molde o recipiente que lo contiene. El Peso Unitario y la Densidad Aparente, son los dos parámetros con los cuales se calcula el diseño de la mezcla. Peso Unitario de Agregado Suelto: Corresponde a la menor densidad del agregado, y corresponde al estado en el cual las partículas se acomodan dentro del recipiente solamente por la acción de la gravedad, ósea en forma de caída libre , es la forma mas usual de la utilización de los agregados en las construcciones. Los Valores están entre 1200 - 1600 kg/m³. * Peso Unitario de Agregado Compactado: Es aquel que se obtiene cuando la masa de agregado es apisonada dentro del recipiente por la acción de otras fuerzas externas distintas a la gravedad, puede ser por medio de golpes o de vibraciones. Los valores están entre 1400 - 1700 kg/m³.
SANIDAD, DUREZA, SOLIDEZ. Son tres conceptos exclusivos de los agregados gruesos. Representan la calidad intrínseca de cada partícula del agregado, estas propiedades son fundamentales para determinar el comportamiento del cemento en cuanto a sus propiedades y a su resistencia a fenómenos externos como el fuego intenso, ataques químicos (cloruros-sulfatos), abrasión en pavimentos (desgaste) y corrosión ambiental.
LOS MÉTODOS PARA DETERMINAR LA SOLIDES SON: Desgaste de los Angeles
(INCONTEC # 93).
Desgaste de los Sulfatos
(INCONTEC # 126).
* El Canto Rodado produce menos desgaste que la caliza. Estructura Sub-Bases Pavimento Bases Pavimento Concreto Asfaltico
% Desgaste Máximo 50% 35% 30%
Losas
Pavimento 35%
Rígido Concreto
40%
Especificaciones
Humedad Natural (W%). El contenido de agua presente en una muestra de agregado no modificado. Se designa con la letra griega w. W % =
Ww Ws
× 100
Ww ¿ Peso del agua que contiene el agregado. Ws ¿ Peso de la masa sólida.
Forma y Textura. Las formas comúnmente encontradas en las partículas de Agregados son : Redondeadas . Cubicas.
Esféricas. Laminares.
Agregado Grueso
Angulosas. Planas. Alargadas. El análisis de la forma de los agregados esta básicamente encaminado hacia dos conceptos : Porcentaje de Facturación. Indice de Aplanamiento. * Estas son propiedades cualitativas de los agregados.
El British Standard Institute (BSI), establece dos parámetros para determinar si las partículas son : * Laminares (cuando Espesor/Ancho < 0,6). * Alargadas (cuando Largo/Ancho > 1,8). Aquí en Colombia nos regimos por la norma INCONTEC Nº 174 la cual los parámetros son : * Laminar (Espesor/Ancho < 0,5) * Alargada (largo/Ancho > 1,5).
Para determinar el Indice de Aplanamiento de los Agregados debe ser menor del 30% para poder ser utilizados en la fabricación del concreto. El Porcentaje de Fracturacion se obtiene en forma visual, consiste en tomar una muestra e ir sacando visualmente aquellas que se encuentren fracturadas, se calcula como la relación entre el Peso de la muestra Fracturadas sobre el Peso de la muestra inicial, esta relación debe ser mayor del 50 o 60%. % FRACTURACION =(WFRACTURACION / W TOTAL MUESTRA ) * 100%.
Las Formas de la Textura son : * Rugosa. * Lisa * Vítrea. * Aspera. * Cristalina. * Porosa. La Textura no influye en que se pueda usar el material o no. Dosificación o Combinación de Agregados
Tiene su origen en la granulometria, la mescla más económica es la que debe tener menor cantidad de agregado. La idea es buscar un solo agregado con la mejor gradación. Encontrar la combinación de los agregados A y B mostrado a continuación para cumplir con las especificación requerida :
Ejemplo : Encontrar la combinación de los agregado A y B, mostrados a continuación para cumplir la especificación requerida. Tamiz
%
que
pasa A
Especificado 1½” 100 ¾” 100 - 80 3/8” 80 - 65 #4 65 - 50 #8 50 - 35 # 30 35 - 20 # 100 20 - 10 # 200 10 - 4 OJO CAMBIAR TABLA
100 80 65 48 30 18 8 2
B 100 100 100 90 80 70 60 50
Porcentaje a usar de B
=
Porcentaje a usar de A =
10 + 16.5 2
90 + 83.5 2
=
13.25%
≈
=
86.75%
≈
13%
87%
Dosificación o Combinación de Agregados Se debe hacer siempre por Glanulometria, sabiendo que las mezcla mas económica es la que utiliza menor cantidad de agregado.
REACCION ALCALI - AGREGADOS
Es una Reacción que se produce entre los óxidos silicios (SiO 2) y los hidróxidos alcalinos de la pasta (Na 2O y H2O) . Es de tipo salado, liquido y cuyo producto final es un GEL hinchable que aumenta de volumen a medida que absorbe agua. Este fenómeno conlleva a la formación de presiones internas originando la expansión, el agrietamiento y la rotura de la pasta. Esta reacción también se conoce como Alcalis-Silice , es también la mas común de todas las reacciones perjudiciales. La Reacción Alcali-Carbonato produce el mismo fenómeno, pero es mucho menos frecuente. Rocas Siliceas : Pedernaz, ópalo, calcedonia, calizas, Dolomitas. Rocas Volcánicas Acidas : Riolitas, Latitas, Andesitas. Cuarzo cristalino.
ENSAYOS : * Análisis petrografico ASTM 295. * Ensayo de Reactividad Potencial ASTM 289. * Expansión de Autoclave ASTM 227.
CONCRETO HIDRAULICO Dividimos su estudio en dos partes: - Concreto Hidráulico Fresco . - Concreto Hidráulico Endurecido.
Reseña Histórica : Se inicio su uso en Roma , dos siglos antes de Cristo con la construcción del partenón Romano ( primera obra de ingenieria cívil ) , la cual se obtuvo mezclando tres elementos ( caliza calcinada + toba volcánica + piedra ) todo esto mezclado con agua . Luego un poco más tarde se construyó la Iglesia de Santa María de los Martíres , que se hizo con el mismo material del Partenón , pero con la importancia de que la cúpula tiene 45 m de claro , hecha en agregados
con casetones. Después , para la edad medieval hubo un receso en la aplicación del concreto. En 1756 John Smeaton con material plastificante construyó el Faro de Edystone , aún existente . En 1845 apareció el uso del acero en la fabricación de los materiales estructurales en lo que se conoce con el nombre de concreto reforzado , por el Fráces Cambot . En 1912 los Alemanes envidioso de la iglesia de Santa María , construyeron la iglesia de Breslhu con 66 metros de altura. La era moderna del concreto parte desde 1963 cuando se empezaron a construír cementos especiales y los aditivos . En nuestros tiempos hay muchas entidades que se encargan de la fabricación y de su conservación , a nível mundial , en U.S.A es la ACI , en Inglaterra es British y en Colombia hay dos entidades que son la I.C.P.C y ASOCRETO.
CLASIFICACION : Según su Densidad.
CLASE Pesado Normales Ligero
DENSIDAD (kg/m³) 2500-6400 2100-2400 1350-1850
Estructural Aisladores
250-1300
Según su resistencia a la Compresión CLASE
DENSIDAD kg/cm² Ultra Resistente >1000 Alta Resistencia 420-1000 Normales 175-350 Ligero 70-175 Estructural Aisladores 17-70
lb/pul²(PSI) >14000 6000-14000 2500-5000 1000-2500 100-1000
* CONCRETO NORMALES * CONCRETO FIRE-PROOFING: Protección contra el fuego. Según su resistencia a la compresión : CLASE
RESISTENCIA
Ultraresistente
Kg/Cm2 >100
Lb / Plg2 (PSI) >14000
Alta resistencia Normales
420-1000 175- 350
6000-14000 2500- 5000
Ligero Estructu Aisladores
70- 170 17 - 70
1000- 2500 100 - 1000
Las propiedades del concreto endurecido dependen de las propiedades del concreto fresco y de otras propiedades externa como son la colocación , fabricación y el curado. El concreto hidráulico fresco tiene las siguientes propiedades: 1. Consistencia. 2. Manejabilidad. 3. Segregación. 4. Exudación.
PROPIEDADES FISICAS DEL CONCRETO FRESCO
CONSISTENCIA Y MANEJABILIDAD CONSISTENCIA : Es llamada también como la fluidez de la pasta y esta influenciada directamente por el agua de mezclado y la lubricación de los agregados necesaria para la manejabilidad del concreto. También esta relacionada con la plasticidad. La consistencia Normal del concreto es cuando esta alcanza su estado de plasticidad, es decir el concreto se puede manejar, moldear, modelar, sin sufrir cambios de volumen especiales y sin agrietarse. Consistencia = Humedad de la mezcla.
MANEJABILIDAD (TRABAJABILIDAD): Definida como trabajabilidad, es la propiedad del concreto fresco que determina su facilidad para ser Transportado, Colocado, Vibrado y Moldeado moderadamente. Físicamente se define como el trabajo necesario para vencer la Fricción entre las partículas individuales del concreto y también los del concreto como tal y la formaleta y el acero de refuerzo
FACTORES QUE AFECTAN LA MANEJABILIDAD. * Contenido de agua de mezclado. * Tipo de cemento y sus propiedades. * Fluidez de la pasta. * La granulometria de los agregados. * Forma y Textura. * Relación Arena-Grava. ( importante). * Contenido de Aire. * Relación Pasta-Agregado. * Aditivos. * Clima
* Condiciones de producción y colocación.
MEDIDA DE LA MANEJABILIDAD Obedece a los requerimientos de las especificaciones técnicas de construcción. Se relaciona directamente con el asentamiento máximo de la mezcla (slump).
CONO DE ABRAMS Este mide el asentamiento del tamaño máximo de 2 pulgadas. El cual consiste que un molde se coloca en una superficie plana , húmeda y no absorbente , el cono se llena en tres capas , cada una con la tercera parte del volumen del cono , luego en cada una de las capas se aplican 25 golpes con una varilla lisa 5/8" de diámetro y una longuitud de 60 cm con uno de sus extremos redondeados. Después de termimada esta operación debe alisarse a ras de la superficie con la varilla , luego se retira el molde cuidadosamente en dirección vertical luego procedemos a
determinar el asentamiento que es igual a la diferencia entre la altura del molde y la altura medida sobre el centro original de la base superior del concreto , generalmente se mide con una aproximación de 5 mm. Existen otros Métodos : * Esfera de Kelli . ACTM 360 (mide consistencia en el concreto fresco). * Consistometo VEBE (VB) (mide consistencia del concreto seco).
SEGREGACION Consiste en la separación de los materiales de la mezcla de concreto, por la perdida de cohesión original y por la mala distribución de los agregados. Esta tiene dos causas :
* Internas : diferencias del tamaño partículas, mala distribución granulometrica, diferencias de densidades de los componentes y mala proporción de la mezcla.
* Externas : manejo mal proporcionado, mala colocación, mal mezclado, poco mezclado, transporte demasiado largo y con vibraciones y sobrevibracion al momento de colocarlos. La segregación se presenta en dos formas : 1.Por la separación entre agregados gruesos y finos. Ya sean porque se amontonan o porque se van al fondo de los elementos estructurales en concreto ya sea por la acción de la gravedad, esto produce lo que se llama hormigoneo o las famosas cucarachas , generalmente se presentan porque las mezclas estan muy secas. 2. Por la separación entre la pasta y los agregados . En este caso se presenta por el exceso de húmedad , la forma más comun de corregir la segregación es usando ventanas en los elementos estructurales al fundir .
EXUDACION También se le conoce con el nombre de sangrado. También se le conoce con el nombre de sangrado
DISEÑO DE MEZCLA * Consideraciones básicas * Especificaciones * Economía * Tecnología existente. Las condiciones básicas incluyen a las otras tres.
Las especificaciones son : 1) Existencia Mínima necesaria . 2) Máxima Relación Agua-Cemento . 3) Contenido Mínimo de Aire. 4) Contenido Mínimo y Máximo de Cemento. 5) Máximo Asentamiento. 6) Tamaño Máximo de Agregados. 7) Densidad Mínima. 8) Uso de Aditivos.
ECONOMIA Se debe tener en cuenta los siguentes factores:
- Costo de producción del concreto - Costo de los materiales - Mano de obra - Equipos - Proporción óptima - Costo en cada material vs. Cantidad de mezcla
TECNOLOGIA
(tener en cuenta)
Sistemas de Dosificación. Sistema de Fabricación. Métodos de Colocación y Formas de Curado.
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 1) Selección del Asentamiento 2) Selección Tamaño Máximo del Agregado 3) Estimación del Contenido de Aire 4) Estimación del Contenido de Agua
5) Determinación de la Resistencia de Diseño a la Compresión 6) Selección de la Relación Agua-Cemento 7) Calculo del Contenido del Cemento 8) Estimación de las Proporciones de Agregado 9) Ajuste por Humedad de los Agregados 10) Ajuste a la Mezcla de Prueba.
Selección del asentamiento: Se debe tener en cuenta para especificar una consistencia del concreto, es el tamaño de la sección que se va a construir y la cantidad y espaciamiento del acero de refuerzo. Los valores del asentamiento indicados en tablas, se aplican cuando la vibración se utiliza en compactación del concreto. Selección del tamaño máximo del agregado: Los agregados bien gradados con mayor tamaño máximo tienen menos vacío que los de menor tamaño máximo; por consiguiente, si el tamaño máximo de los agregados en una mezcla de concreto se aumenta, para un asentamiento dado, los contenidos de cemento y agua disminuirán. En general, el tamaño máximo del agregado deberá ser el mayor económicamente disponible y compatible con las dimensiones de la estructura.
Estimación del contenido de aire: Durante la operación de mezclado queda naturalmente aire atrapado y cuando se prevea que habrán condiciones de exposición severa, es conveniente incluir aire en el concreto.
Estimación del contenido de agua: El agua de mezclado cumple 2 funciones principales en la mezcla del concreto: una es hidratar el cemento, y la otra producir la fluidez necesaria. Se proporcionan estimaciones de la cantidad de agua requerida en una mezcla de concreto, en función del tamaño máximo del agregado, de la forma y textura del agregado y del asentamiento deseado.
Determinación de la resistencia de diseño: La resistencia a la compresión simple es la característica mecánica más importante del concreto, pero otras como la durabilidad, la permeabilidad
y la resistencia al desgaste, son a menudo de similar importancia. En forma general puede relacionarse con la resistencia, pero también se afectan por factores que npo están significativamente asociados con ella. La resistencia de diseño se calcula como el aumento de 15% de la resistencia específica.
Selección de la relación agua-cemento: La relación agua-cemento es inversamente proporcional a la resistencia; la relación requerida no solo se determina por los requisitos de resistencia, sino también por factores como la durabilidad y propiedades para el acabado.
Cálculo del contenido de cemento: La cantidad de cemento por unidad de volumen de concreto se obtiene de las determinaciones hechas en los pasos 4 y 6, de tal forma que el contenido de cemento requerido es igual al contenido estimado de agua en la mezcla, dividido por la relación agua-cemento. Contenido de cemento C = A/(A/C)
Estimación de las proporciones de los agregados: En este punto es conveniente considerar el agregado bajo 3 circunstancias: •
Agregado controlado
•
Agregados conocidos pero no controlados
•
Agregados nuevos
Ajuste por humedad de los agregados: Puesto que el agua de la absorción de los agregados no hace parte del agua de mezcla y los agregados presentan algún grado de saturación (humedad) que depende de las condiciones de almacenamiento y del estado del tiempo, necesariamente hay que determinar ese grado de humedad en el campo y hacer las correcciones pertinentes. A = -Ps (H - a) A = cantidad de agua (quitar - añadir) Ps = peso del sólido agregado H = contenido de humedad a = absorción Ajuste a las mezclas de prueba:
Se deben verificar las proporciones calculadas de la mezcla por medio de pruebas preparadas y probadas de acuerdo a la norma ASTM C - 192, (fabricación y curado de muestras de concreto para pruebas a presión y a compresión en el laboratorio), o con mezclas de campo de tamaño completo. Existen 3 métodos para determinar la proporción de los agregados: 1. Talbot y Richart 2. Método gráfico 3. Curva de Fuller
Método de Richart y Talbot: Es el que se basa en la famosa relación b/bo , donde: b = volumen absoluto o sólido del agregado grueso por unidad de volumen de concreto. bo = volumen absoluto o sólido del agregado grueso por unidad de volumen compactado de agregado grueso. b/bo = volumen compactado de agregado grueso, por unidad de volumen de concreto. V = b + pv = volumen de agregado grueso compactado por metro cúbico. p = porcentaje de vacíos o poros del conjunto. bo = 1 - p p = 1 - bo
V = b + (1 - bo)v b = boV V = b/bo bo = Peso Unitario Compactado / Densidad Aparente
Método Gráfico:
Este método se utiliza para encontrar la granulometría del agregado, el cual consiste en buscar la combinación de los agregados disponible que produzca la máxima densidad. TAMIZ
NORMA
1½ ¾ 3/8 #4 #8 #30 #100 #200
100 100-80 80-65 65-50 50-35 35-20 20-10 10-4
% QUE PASA A – COMBINACIÓN B 100 - 100 100 80 - 100 84 65 - 100 73 48 - 90 57 30 - 30 42 18 - 70 30 8 - 60 20 2 - 50 14
Curva de Fuller: La curva de Fuller es un método de simplificación del método gráfico. La diferencia entre el método gráfico y la curva de Fuller es que no se tiene que ir a tablas. Fuller encontró que y = 100 SQR (d/D) y = porcentaje correspondiente a cada tamiz d = tamiz (diámetro) D = tamiz máximo CONCRETO ENDURECIDO
Tenemos que tocar 2 aspectos: •
El curado
•
La resistencia mecánica
Curado. Se refi refieere a cual cualqu quiier méto métoddo que se uti utilice lice para para mant manten ener er las las especificaciones de mezclas. hay varios métodos los cuales son: -Agua: Es el curador más utilizado , es el curador por excelencia. -Aditi -Aditivos vos:T :Tamb ambién ién se uti utiliz lizan an para curar curar , tie tiene ne como como finali finalidad dad de mantener la película por encima de la capa. - Otros: Ya sea por medios fisicos o mecánico ( arena húmedad ,sacos de fiques y acerrin ), que mantengan man tengan la húmedad superficial.
Resistencia Mecánica :
Se dividen en :
Compresión ( 90 %) RESISTENCIA MECANICA
Flexión
10%) ( 10
Tracción
( Acero )
COMPRESION Se mide a través de Cilindros Cilindros Normalizados Diámetro = 6”
Altura = 12”
Se llena el molde en tres capas y se compacta con una varilla lisa y de pun punta ta red redond ndea eada da.. Se espera pera 24 ho hora rass para para dese desenc ncof ofra rarl rlas as y posteriormente someterlas a curado, referenciandolas a cada una con fecha, hora y elemento.
Normalmente las Edades para Controlar la Resistencia Resistencia de los los Concretos son : 7 ⇒ 80% de la Resistencia Especificada. Edad
7-14-28
14 ⇒ 90% 28 ⇒ 100%
FLEXION Se realiza a través de viguetas normalizadas. El ensayo es igual al de la Compresión por medio de los cilindros.
Las propiedades del concreto Endurecido parte del concreto Fresco y de la Fabricación, Fabricación, Colocación y Curado.
DURABILIDAD DEL CONCRETO
Definición De acuerdo con el comité 116 del ACI, esta característica es la habilidad para resistir la acción del medio ambiente, los ataques químicos, la abrasión y otras condiciones de servicio, de tal manera que sus características y propiedades se mantengan a lo largo de su vida útil. La durabilidad es una propiedad tan importante como la resistencia misma, y por ello merece que se le considere también con especial interés. Aunque el concreto es un material muy durable, se puede deteriorar y llegar a la falla por un sinnúmero de factores que lo pueden afectar; de allí que para el diseño de una estructura se deba conocer muy bien el medio ambiente y las características a la que estará expuesta para de esta manera tomar las precauciones pertinentes.
Permeabilidad
La propiedad cuantificable a la que con mayor frecuencia se asocia con la durabilidad es la permeabilidad, definida como la capacidad de permitir el paso de un fluido (líquido o gas) a través del concreto. El concreto es inherentemente poroso, debido principalmente a la formación de canales capilares como consecuencia de la evaporación de agua durante el proceso de fraguado, a la permeabilidad del agregado y a la reducción gradual de volumen de la pasta cuando ocurre la reacción química entre el agua y el cemento. Su permeabilidad puede ser medida, determinando la velocidad de flujo de agua a través de una losa de concreto. El paso de líquido a través de éste, es controlado por la ley de Darcy para medios porosos, la cual se presenta a continuación: V=K p (h/x) Donde: V = Velocidad del flujo de agua h = Cabeza de agua (Presión hidráulica) x = Espesor del espécimen K p =Coeficiente de permeabilidad
K p es función de la relación a/c y la edad de la pasta, tal como se aprecia en la tabla 1. Tabla 1. Efecto de la pasta de cemento sobre el coeficiente de permeabilidad (a/c=0.51) EDAD (días) Pasta fresca 1 3 7 14 28 100 240* *Máxima hidratación
K P (m/s) 10-5 10-8 10-9 10-11 10-12 10-13 10-16 10-18
Independiente de a/c Poros capilares interconectados Poros capilares discontinuos
En los lugares con estaciones, la permeabilidad causa efectos adversos sobre la durabilidad del concreto, debido a que la saturación por agua produce deteriorización y descascaramiento, a consecuencia de los procesos de congelamiento y deshielo. Para el caso de los países tropicales, en que no se presentan ciclos de congelamiento y deshielo, el efecto principal de la permeabilidad es el deterioro del concreto como producto del ingreso de agentes agresivos, tales como soluciones ácidas o sulfatos. Además en el caso de concreto reforzado, el acceso de la humedad y del aire tiene como resultado la
corrosión del acero embebido, con un consecuente aumento en el volumen del mismo, lo que puede dar origen a grietas y descascaramientos del concreto. Es importante en estructuras que retienen líquidos, especialmente si son agresivos, o estructuras que deben permanecer estancas debajo del nivel freático del terreno, disminuir al máximo la permeabilidad, para que no circule líquido a través del concreto, el cual facilita la entrada de agentes que atacan al concreto y causan “lixiviación” o lavado de los componentes. El grado de permeabilidad es afectado por la diferencia de presiones entre un lado y otro del elemento, el espesor del material, la naturaleza del fluido y el tiempo durante el cual se presentan dichas condiciones. La permeabilidad depende de la porosidad de la pasta y los agregados, del grado de compactación y de los capilares producidos por el agua de exudación. La durabilidad se puede incrementar mejorando las condiciones de permeabilidad siguiendo las siguientes recomendaciones: •
Utilizar relaciones agua/cemento lo más bajas posibles, compatibles con una adecuada manejabilidad del concreto.
•
Someter el concreto a un buen curado de manera que la hidratación continua del cemento haga que el tamaño de los vacíos se reduzca. El
concreto curado sin interrupción es menos permeable, no sólo por la no presencia de fisuras, sino también porque al evitar la evaporación temprana del agua de exudación, se previene la formación de redes capilares que permitan la libre circulación de agua y por ende de las sustancias agresivas tales como los sulfatos y las soluciones ácidas. •
Dosificar la óptima cantidad de agua de mezclado.
•
Usar cemento con alto grado de finura.
•
Emplear agregados bien gradados, de tal forma que se obtengan concretos más densos y por lo tanto menos porosos.
•
Adicionar aditivos tales como las puzolanas, inclusores de aire, y como es obvio, aditivos para reducir la permeabilidad.
•
Efectuar tratamientos de superficie, especialmente cuando el concreto está sujeto a la presión del agua. Dichos tratamientos pueden ser: membranas adheridas al concreto con asfalto caliente, emulsiones asfálticas, estuco de cemento adecuadamente curado, parafina (compuestos de silicona, disueltos en solventes volátiles), y llenantes inertes en un vehículo de resina. De los anteriores, los dos primeros son los más usados cuando el color negro no es objetable, mientras que los otros se emplean cuando se debe guardar buena apariencia.
Además de disminuir la permeabilidad de las estructuras de concreto es importante tener en cuenta otros aspectos complementarios para incrementar la durabilidad, tales como el empleo de mínimo contenido de cemento y uso de materiales apropiados (especialmente el tipo de cemento).
Influencia del medio ambiente sobre la durabilidad Es claro que la durabilidad de un elemento en concreto depende de las propiedades del concreto y las prácticas de colocación, pero también es función de las condiciones que lo rodean y por esto es importante estudiar muy bien el medio ambiente y las características de servicio a las que estará sometido, para utilizar una mezcla económica de excelente comportamiento. Las condiciones medioambientales que afectan la durabilidad del concreto pueden ser de origen químico o físico, tal como las que se presentan en la tabla 2. Generalmente, estos factores no se presentan de manera individual, sino que lo hacen en combinación y se manifiestan por la aparición de manchas, eflorescencias o fisuras. Es importante identificar todas las causas potenciales de deterioro antes de definir las características de la mezcla de concreto o las medidas de protección que se deben tomar.
4. Ataque por ácidos Si se revisan los diferentes tipos de cemento se puede apreciar que ninguno tiene la propiedad de resistir los ácidos, lo que hace suponer que el concreto es relativamente débil al ataque de estos compuestos químicos. La fuente más común de ataque por ácido al concreto se da especialmente en climas muy calientes, en los alcantarillados por acción de las bacterias aeróbicas y anaeróbicas, las cuales en ese ambiente de aguas negras generan gas de hidrógeno sulfuroso que se disuelve en el agua, condensada sobre las paredes de conductos y cámaras sobre el nivel de agua residual. Así mismo, los ácidos inorgánicos están presentes en la atmósfera (lluvia ácida) y los ácidos orgánicos están en las aguas superficiales y freáticas procedentes de las industrias manufactureras, ensilajes agrícolas, productos de fermentación, productos de pulpa de madera o caña de azúcar, destilerías etc.
Tabla 2. Influencia de las condiciones medioambientales sobre los componentes del concreto.
Fuente
Componentes mas afectados en orden de importancia.
Ataque químico: Ataque por ácidos Ataque por sulfatos Reacción Alcali-agregados Carbonatación del cemento Corrosión del acero Ataque físico:
Pasta Pasta Agregado Pasta Refuerzo
Congelamiento-deshielo Humedecimiento-secado Cambios de temperatura Abrasión Fuego
Pasta, agregados Pasta Pasta, agregados Pasta, agregados Pasta
Los morteros y concretos en servicio, expuestos a ácidos, resultan afectados debido a que las soluciones ácidas reaccionan, en primer lugar con hidróxido de calcio y luego con hidrosilicatos e hidroaluminatos de calcio del cemento endurecido para formar sales de calcio. En ambientes agresivos en donde el ácido no es reemplazado, el ataque está esencialmente confinado a la superficie expuesta, en la cual este es neutralizado por la alcalinidad del concreto y la reacción se detiene. Si es continuamente reemplazado, el deterioro del concreto es mayor, puesto que las sales solubles en agua son arrastradas y se facilita el proceso de lixiviación de las capas internas. El cemento endurecido, completamente deteriorado por los ataques ácidos, se descompone en productos que en parte son disueltos y en parte permanecen en el sitio de la reacción como una masa no cohesionada o
capa protectora que disminuye la penetración de la sustancia agresiva. Si esta capa se destruye mecánicamente, el concreto se remueve con una tasa acelerada, y se produce una alteración en dicha capa en intervalos relativamente largos se puede causar un efecto mucho más dañino que un incremento en la concentración del ácido agresivo. Las sales de calcio se precipitan, así sea poca la cantidad de ácido que entra en contacto de la superficie del concreto. Este fenómeno puede ser aprovechado para aumentar la durabilidad del concreto sometiéndolo a la acción de pequeñas cantidades de ácido productor de sales insolubles, las cuales taponan los poros superficiales e impiden la entrada de nuevos agentes agresivos. Además del deterioro del concreto, cuando éste es muy permeable, los ácidos pueden llegar hasta el acero de refuerzo y ocasionar su corrosión, con consecuencias lamentables para la estructura. La resistencia al ataque de los ácidos se puede mejorar si se deja secar el concreto antes de que quede expuesto, ya que se forma una capa de carbonato de calcio que bloquea los poros y reduce la permeabilidad en la parte superficial. Existen también tratamientos superficiales con alquitrán de hulla, pinturas bituminosas, resinas epóxicas, silicofluoruro de magnesio y otros agentes que han demostrado resultados altamente satisfactorios.
Hay que tener en cuenta que el grado de protección de los diferentes tratamientos varía, por ello es importante que la capa protectora producida por el método utilizado permanezca sin deteriorarse por agentes mecánicos, de tal forma que se hace necesario inspeccionar y renovar el recubrimiento.
3.1.2 Ataque de sulfatos Los sulfatos de sodio, potasio y magnesio, presentes en los subsuelos y agua con álcalis, son muchas veces los responsables del deterioro de las estructuras de concreto. La causa del deterioro puede tener dos orígenes: en primer lugar, porque los sulfatos reaccionan químicamente con la cal y el aluminato de calcio hidratados en la pasta de cemento, formando sulfato de calcio y sulfoaluminato de calcio respectivamente. Dichas reacciones van acompañadas de una considerable expansión, que ocasionan esfuerzos de tracción internos y que culminan con agrietamiento y rompimiento de la masa de concreto. La segunda causa se presenta cuando el concreto está en contacto con aguas alcalinas, lo cual produce la deposición de cristales de sulfato en los poros y canales capilares como consecuencia de la evaporación. El crecimiento de los cristales tiene lugar cuando se tiene un ciclo de humedecimiento y secado que puede eventualmente llenar los poros y desarrollar presiones suficientes para la rotura del concreto.
Para prevenir el deterioro del concreto por acción de la primera causa, normalmente se utiliza el cemento tipo 2 o tipo 5, dependiendo del grado de ataque. Todos los cementos normales desarrollan completa desintegración dentro de uno o dos años, pero con los cementos de bajo contenido de C 3A, la resistencia al deterioro se prolonga a períodos mucho más largos. La resistencia a la desintegración por el crecimiento de cristales, se logra mediante el uso de un concreto denso, de muy baja permeabilidad, elaborado con una relación agua/cemento baja y preferiblemente con inclusión de aire. Adicionalmente se ha encontrado que concretos elaborados con cementos Portland puzolánicos poseen considerable resistencia al ataque de los sulfatos. El contacto de soluciones ácidas y sulfatadas con el concreto se debe evitar o controlar. El mecanismo de deterioro causado por ácidos y sulfatos se produce cuando entran en reacción con el hidróxido de calcio del cemento; proceso que acelera la corrosión del acero de refuerzo.
3.1.3 Reacción álcali-agregado
Es una reacción química que se puede presentar entre agregados que contengan (óxidos de sílice inestables) y el cemento (hidróxidos alcalinos) y que originan expansiones dentro del concreto endurecido. Algunos agregados conocidos que reaccionan con el álcali del cemento son: el sílice opalino, la caliza silicea y en general rocas con alto contenido de sílice. En consecuencia, cuando se requiere aprovechar una fuente de agregados cuyo comportamiento sea desconocido, es muy aconsejable hacer ensayos petrográficos y exámenes químicos, así como ensayos de expansión de morteros. La experiencia con agregados reactivos, tanto en el campo como en el laboratorio, ha demostrado que tales materiales con combinación en el álcali del cemento no causan un daño apreciable cuando la concentración de éste último no sobrepasa del 0,6%.
3.1.4 Carbonatación del cemento Este fenómeno sucede cuando el hidróxido de calcio (Ca (HO 2)) presente en la pasta de cemento, en presencia de agua, reacciona con el dióxido de carbono (CO2), produciendo CaCO 3 (Carbonato de calcio), generando así una pérdida de volumen. Esta carbonatación se presenta en la superficie del concreto y su profundidad dependerá de la porosidad de la pasta. Esta reacción conduce al descascaramiento superficial.
3.1.5 Corrosión del acero de refuerzo El fenómeno de corrosión en el concreto armado se presenta por efectos electroquímicos, en presencia de oxígeno y soluciones acuosas de sales, bases, o ácidas en el concreto. En general, la forma más común de corrosión es causada por el flujo de una corriente generada dentro del concreto por diferencial de humedades, presencia de oxígeno o concentración de electrólitos. Así mismo, los iones de cloruro de calcio, causan corrosión del acero, produciendo expansión y aparición de esfuerzos de tracción que conllevan al agrietamiento.
El Código Colombiano de construcciones Sismo Resistentes (Norma AIS 100) estipula valores mínimos de recubrimiento del acero de refuerzo al igual que limita el contenido de ión cloruro en el concreto.
3.2 Ataque físico
3.2.1 Congelamiento-deshielo
Al disminuir la temperatura de un concreto saturado, el agua que se encuentra dentro de los porosos aumenta de volumen por congelación produciendo expansión y fisuras en el elemento. Esta condición se vuelve crítica cuando los ciclos congelamiento-deshielo se hacen repetitivos porque su efecto es acumulativo.
3.2.2 Humedecimiento y secado En estructuras hidráulicas, una de las principales causas de deterioro es el continuo humedecimiento y secado, el cual produce expansiones y contracciones creando condiciones de agrietamiento y descascaramiento del concreto, al igual que pueden aumentar la corrosión del acero de refuerzo. Cuando un elemento en concreto está sujeto a ciclos de humedecimiento secado, se presentan eflorescencias en la superficie del concreto, las cuales son el resultado de la percolación de agua a través del material de manera continua o intermitente. Las eflorescencias constan de un depósito de sales que son lixiviadas del concreto y cristalizadas por la evaporación del agua y la interacción con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Las sales típicas son carbonatos de sodio, potasio o calcio, siendo el mayor constituyente el carbonato de calcio.
La eflorescencia es mas un problema estético que de durabilidad, pero indica que está ocurriendo lixiviación dentro del concreto. Su exceso aumenta la porosidad, disminuye la resistencia e incrementa la vulnerabilidad a los químicos agresivos. La tasa de lixiviación depende de la cantidad de sales disueltas contenidas en el agua que se percola. Las aguas blandas, tales como el agua de lluvia, son las más agresivas mientras que las aguas duras que contienen grandes cantidades de calcio son menos peligrosas. La temperatura del agua también se debe considerar, porque el hidróxido de calcio es más soluble en agua fría que el agua caliente.
3.2.3 Abrasión La abrasión se ocasiona por fluidos en movimiento que están en contacto con estructuras de concreto, creando fricción o cavitación y produciendo desgaste sobre la superficie de este. En la medida en que la resistencia a la compresión aumenta se incrementa su resistencia a la abrasión. Esta propiedad es importante en elementos sometidos a tráfico, deslizamientos y rozamiento como son los pavimentos, pisos, túneles y estribos de puentes sujetos a la acción de corrientes de agua, vertederos, etc.
3.2.4 Fuego En términos generales, el concreto tiene buenas propiedades de resistencia al fuego, siendo este uno de sus méritos como material estructural. La resistencia a los daños producidos por el fuego es cada vez menor a medida que aumenta el espesor de la estructura. En el concreto armado sujeto al fuego, las capas superficiales calientes tienden a separarse y descascararse desde la parte de la estructura más fría, en consecuencia, se produce la formación de grietas en las juntas, en las paredes de concreto mal compactadas o en los planos de las varillas de refuerzo. Sin embargo, la pérdida de resistencia comienza aproximadamente a los 330ºC y aún a los 500ºC se considera que el concreto conserva el 80% de su resistencia inicial. Una vez el refuerzo queda al descubierto, se calienta rápidamente con la consecuente pérdida de resistencia. El acero dulce pierde aproximadamente el 50% de su resistencia a 600ºC mientras que el acero pretensado sufre la misma pérdida pero a 400º C. La resistencia al ataque del fuego depende principalmente de tres factores, a saber: el tipo de agregados y contenido de humedad, el tipo de cemento y el espesor del elemento de concreto. Los agregados de mejor resistencia al ataque del fuego son los livianos. Esto se debe a que la mayoría de partículas de agregado ligero son
manufacturadas por un proceso que involucra altas temperaturas. De los agregados naturales se destacan los calcáreos, tal es el caso de las calizas. El contenido de humedad del concreto también influye en la velocidad de descascaramiento. Algunos análisis de estructuras expuestas al fuego, muestran que a mayor contenido de humedad del elemento se produce más rápido el descascaramiento. Es posible la elaboración de concretos refractarios. Esto se logra con el uso de un cemento especial con alto contenido a de alúmina, el cual produce concretos con una alta resistencia al fuego pero con el problema de que no puede utilizarse para fines estructurales. La Norma ASTM E 119 establecen un método de ensayo para medir la resistencia al fuego del concreto. Un concreto sujeto a cualquiera de las exposiciones anteriormente mencionadas se ve afectado por la remoción del mortero: por lo tanto, una reducción en el contenido de arena mejora la durabilidad. De otra parte, con el uso de agregados resistentes de tamaño bastante grande, la utilización de recubrimiento, de buen curado y una baja relación agua/cemento, se obtienen concretos de buen desempeño cuando son atacados por agentes agresivos.
Estos factores conducen a un incremento de la resistencia a la compresión pero, cuando las condiciones exigen el empleo de un inclusor de aire esta propiedad se puede disminuir. Por este motivo el contenido de aire se debe guardar en un mínimo requerido para durabilidad teniéndose cuidado de no excederse en más del 4%.
4. Ensayos para evaluar la durabilidad La protección contra la corrosión y la determinación de la actividad en el acero del refuerzo se puede ensayar siguiendo el procedimiento de la Norma ASTM C 876. La reactividad alcali-agregado se puede analizar mediante la Norma ASTM C 227 (Reacción alcali-sílice) y 586 (Reacción alcali-carbonato). La resistencia a los sulfatos se evalúa mediante la Norma ASTM C 452 y C 1012. La resistencia a la abrasión se puede determinar con la Norma ASTM C 418 (Limpieza con chorro de arena), C 779 (Método de disco giratorio) y C 944 (Cortadora rotatoria).
LABORATORIO Nº 1
FINURA DEL CEMENTO POR EL TAMIZ Nº 200 OBJETIVO: Determinar la finura del cemento por medio del tamiz Nº 200. NORMAS: ICONTEC 226 M.O.P.T. E 155 A.S.T.M. C 184 MUESTRA : 50 gr de cemento EQUIPOS DE LABORATORIO : •
Balanza de sensibilidad 0.01 gr.
•
Tamiz Nº 200
•
Muestra de cemento
•
Cucharas
PROCEDIMIENTO : La finura del cemento se determina por la cantidad de cemento que pasa a través de la malla del tamiz Nº 200 la cual se encuentra en un arco de 8” de diámetro y tiene 200 poros por pulgada lineal, y el diámetro de cada poro es de 0.074 mm. Para medir la finura se pesan 50 gr de cemento, se depositan en la malla y se taran. Con movimientos lentos de muñeca se mueve el tamiz durante 8 o 10 minutos, teniendo en cuenta que se debe limpiar con los cepillos. Luego se divide el circulo del tamiz en seis partes iguales y a cada subdivisión se le aplican 25 golpesitos, evitando las salpicaduras, hasta que quede un residuo de color gris oscuro. Este residuo se pesa y se procede con los cálculos de la finura. Sabiendo que la formula para su calculo es:
F(%)= ( W0 – R )*100% W0
Donde :
F = finura W0 = peso inicial ( 50 gr) R = peso del material retenido
DATOS Y CALCULOS: Para 50 gr de cemento se obtuvieron los siguientes datos : GRUPO 1 2 3
W1 (gr) 50 50 50
FINURA OBTENIDA = 99.42
CONCLUSIONES
R 0.16 0.37 0.34 PROMEDIO
% FINURA 99.68 99.26 99.32 99.42
En este laboratorio podemos concluir que los resultados obtenidos son bastante aceptables para una hacer una mezcla, pues el cemento utilizado es de alta finura, lo que nos garantiza una rápida resistencia.
LABORATORIO Nº 2 PESO ESPECIFICO DEL CEMENTO OBJETIVO: Determinar el peso especifico del cemento por el método de Le Chatalier. NORMAS: ICONTEC 221 M.O.P.T. 162 A.S.T.M. 182 MUESTRA : 64 gr de cemento portland. EQUIPOS DE LABORATORIO : •
Frasco patrón de Le Chatalier.
•
Balanza de sensibilidad 0,01 gr.
•
Kerosene.
•
Vasijas con agua.
•
Termometro
•
Papel para secar
•
Pipeta
•
Espàtula
PROCEDIMIENTO Se llena el frasco de Le Chatalier con kerosene hasta un punto situado entre la marca cero y un milimetro. Se debe secar el frasco por encima del nivel del liquido, si es necesario despues de verterlo. Luego se debe sumergir el frasco a un baño de agua a temperatura ambiente para evitar alteraciones en el volumen del frasco y despues se mide el tiempo transcurrido hasta que se estabilice el nivel del kerosene. Se pesa una muestra de cemento de 64 gr la cual se debe agregar en pequeñas cantidades, procurando evitar salpicaduras y observando que el cemento no se adhiera a las paredes del frasco por encima del nivel del kerosene, en caso de que esto ocurra se le dan unos golpes leves con la mano. Despuès de agregar todo el cemento se debe hacer girar el frasco en posicion inclinada y darle unos golpecitos para que salgan las burbujas de aire. Se sumergue nuevamente el frasco en la vasija con agua hasta que se estabilice la marca del nivel del nivel de kerosene, el tiempo tomado antes lo tomamos como referencia, luego se toma la lectura final (L f ) y se procede con los calculos : Temperatura ambiente del agua = 24º C.
Volumen desplazado = L f - Li
Peso especifico = Peso del cemento Volumen desplazado DATOS Y CALCULOS : GRUPO 1 2
PESO(gr) 64 64
L0 (ml) 0.75 0.81
LF (ml) 22.35 22.15 PROMEDIO
PESO ESPECIFICO OBTENIDO = 2.98 gr/ ml
PE (gr/ml) 2.97 2.99 2.98
CONCLUSIONES Cuando se tiene determinado tipo de cemento el primer parámetro que se debe establecer es su peso especifico ya que este incidirá directamente en las propiedades del concreto. De este ensayo se pudo concluir que el peso especifico real vario muy poco (2.97- 2.99) y que se encuentra entre los limites establecidos por la norma.
LABORATORIO No 3 DETE DETERM RMIN INAC ACIO ION N DE LA CONS CONSIS ISTE TENC NCIA IA NORM NORMAL AL DEL DEL CEMENTO OBJETIVO : Determinar la consistencia normal del cemento por medio del aparato de Vicat. NORMAS : ICONTEC 11 1100 M.O.P.T. E 169 A.S.T.M. 187 EQUIPOS DE LABORATORIO : •
Balanza de sensibilidad 0.01 gr.
•
Agua destilada.
•
Superficie lisa no absorbente.
•
Palustre.
•
Aparato de Vi Vicat. cat.
•
Guantes de caucho.
•
Molde tronco cónico.
•
Espátula.
•
Probeta.
PROCEDIMIENTO 1.
PREPARACION DE LA PASTA: Se lleva a cabo en una superficie superficie pulida donde se coloca una muestra en forma de cono, la superficie debe ser no absorbente, se hecha agua a la muestra por un hueco que se hace en el centro de ella, con la ayuda del Palustre se mezcla se mezcla empleando 30 segundos para esta operación. La pasta se
2.
moldea con las manos dándole forma esférica y se lanza de una mano a otra 6 veces v eces a una distancia de 15 cm aproximadamente. LLENADO DE LOS MOLDES: Con la muestra que aparece en una mano se llena completamente por la base mayor el molde sostenido en la otra mano, quitando el exceso en esta base con la mano. Se coloca la placa de vidrio debajo de la base mayor, y con la ayuda del Palustre se quita el exceso de la base menor.
3.
DETER DETERMIN MINACI ACION ON DE LA CONSIS CONSISTEN TENCIA CIA NORMA NORMAL: L: El conjunto constituido por la placa, la pasta y el molde se lleva al aparato de Vicat y se centra por debajo del vástago, se hace descender el mismo hasta que el extremo de la sonda haga contacto con la superficie de la pasta y se fija en esta posición por medio del tornillo de fijación que tiene el aparato de Vicat. Se desplaza en la escala el índice hasta que coincida con el cero superior. 30 segundos después
de terminada la mezcla se suelta el vástago cuidando que el aparato no este sometido a ninguna vibración durante el ensayo. Se considera que la pasta tiene consistencia normal cuando la sonda a penetrado 10 mm, 30 segundos después de haber sido soltada. DATOS Y CALCULOS : La consi consist stenc encia ia no norma rmall del del ceme cemento nto debe debe expr expres esars arsee como como un porcentaje en peso del cemento seco, con una aproximación del 0.5%. MUESTRA
PESO
1 2 3
500 500 500
% DE AGUA VOL. AGUA PENETRACION(mm) 28 140 9 26 130 4 30 150 19
C.N. = VOLUMEN DE AGUA*100% AGUA*100% PESO DEL CEMENTO C.N. =150*100 =30% 500 PENETRACION = 10.6 mm % AGUA = 28
