Universidad de las Américas. Facultad de Arquitectura y Construcción. Escuela de Construcción. Técnico Superior en Construcción.
TALLER DE LABORATORISTA DE MATERIALES TEMA: “ENSAYOS DE DETERMINACION DE LA CONSISTENCIA NORMAL Y TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO”.
Docente: Ing. ERRÁZURIZ GUZMÁN, Felipe Andrés. Alumno: RAMÍREZ GONZALES, Milton Antonio.
Fecha de Entrega: 23 de Mayo 2017
ÍNDICE INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………………….. 03 1. OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………… 04 1.1 OBJETIVOS GENERALES……………………………………………………………………………... 04 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………………………………………………………..…… 04 2. MARCO TEÒRICO……………………………………………………………………………………………………… 04 2.1 TÉRMINOS……………………………………………………………………………………………….… 04 2.2 ENSAYO CONSISTENCIA NORMAL……………………………………………………….……. 05 2.3 ENSAYO TIEMPO DE FRAGUADO…………………………………………………………….…. 06 3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS………………………………………………………………….…. 08 4. PROCEDIMIENTO EN LAB. DETERMINACION DE CONSISTENCIA NIORMAL……….….… 09 4.1 MATERIALES……………………………………………………………………………….………….… 10 4.2 DESARROLLO…………………………………………………………………………………..…..……. 10 4.3 OBSERVACIONES. DIFERENCIA CON LA NORMA……………………………… ..…..…. 12 5. FÓRMULA……………………………………………………………………………………………………..………… 12 6. RESULTADOS…………………………………………………………………………………………..………….…… 12 7. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………….…………... 14 BIOGRAFÍA …………………………………………………………………………………………………………………. 14 ANEXOS……………………………………………………………………………………………………………… .……… 14
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INTRODUCCIÓN Para saber la necesidad del porqué de los ensayos que van a ser tratados en el presente informe, primero hay que entender que el ser humano está en una constante búsqueda de desarrollar técnicas y sistemas constructivos que le brinden mayor seguridad y confort. Está claro que para que todo esto se materialice, hay que partir desde la base, con elementos estructurales con estándares de resistencia, solidez, fiabilidad y contro l de calidad altos. El cemento es un material con gran presencia en el mercado de la construcción, lo encontramos en aplicaciones de revestimiento interior e exterior, como estucos de mortero; como ingrediente en los morteros de pega en sistemas de albañilería y en el hormigón, donde actúa como aglomerante de los elementos que lo componen formando un todo sólido, resistente e indeformable. Pero el cemento por sí solo no actúa mágicamente, debe cumplir con ciertos parámetros previos que nos permitan conocer su comportamiento y idoneidad para la puesta en obra. A través del presente trabajo se va a conocer de manera teórica y pragmática los ensayos a los cuales es sometido el cemento para lograr una consistencia adecuada en función al agua que se le dosifica a una muestra de 500 gr. logrando obtener finalmente una pasta plástica y fluida, en atención a la resistencia a la penetración que va a oponer la pasta una sonda (Tetmayer) adosada a un instrumento llamado aparato de Vicat, proceso que se detallará a lo largo del presente contenido y que se encuentra regulado en la Nch 151-68 “determinación consistencia normal cemento”. Posteriormente este resultado nos va a servir para conocer el tiempo en que demora el fraguado del cemento a través también de penetraciones en intervalos de tiempo controlados, de una aguja instalada de igual manera en aparato de Vicat, hasta que no deje huella sobre la superficie de la muestra, proceso regulado en la Nch 15271”determinación tiempo de fraguado”.
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1. OBJETIVOS. 1.1. GENERAL. Conocer, aprender y determinar la consistencia normal del cemento. Aprender a determinar el tiempo de fraguado del cemento.
1.2. ESPECÍFICO. Mediante los ensayos diseñados en la Nch 151-68, de manera empírica poder conocer y entender la metodología para determinar la consistencia normal del cemento. Conocer las condiciones en que se debe se ejecutar los ensayos de consistencia Aprender el manejo del instrumento de medición de consistencia, aparato de Vicat. Ejecutar ensayos con proporciones de agua variables en relación a una constante en masa de cemento y llegar a la consistencia ideal establecida por la norma. De forma teórica al amparo de lo dispuesto por la Nch 152-71, aprender cual es el procedimiento y la forma de calcular el tiempo de fraguado de una muestra de consistencia normal.
2. MARCO TEÓRICO. 2.1. TÉRMINOS. CONSISTENCIA. En sentido lato la consistencia está entendida como aquella condición de estabilidad y solidez que genera una trabazón y coherencia entre las partículas de una masa o los elementos que integran un todo.
FRAGUADO. El diccionario de uso común lo define como acción y efecto de fraguar, entendida esta como aquella cualidad para endurecerse que tienen el yeso, la cal, el cemento y otras masas. MORTEROS. Preparación en base a arena, agua y cemento como aglomerante del conjunto, con posible incorporación de aditivos para mejorar sus propiedades. Se usa en construcción para pegar ladrillos, piedra, etc (mortero de pega) y de revestimiento de paramentos diversos (revoque, afinado). HORMIGON. Material a base de agregados (grava, gravilla, arena), agua y cemento como ligante que dependiendo de su dosificación se puede disponer para resistir esfuerzos diversos (compresión principalmente), pueden ser colocados en obra solos o acompañados de armaduras que mejoran considerablemente su resistencia a esfuerzos de tracción. APARATO DE VICAT. Aparato que consta de un armazón con un vástago móvil provisto de una sonda (sonda de Tetmayer), un indicador y opcionalmente un 4
freno. Sus especificaciones se encuentran en el ítem 5.3 de la Nch 151-68, la finalidad de este instrumento es que nos va a permitir a través de la sonda o aguja, según corresponda, conocer la consistencia normal y el tiempo de fraguado del cemento según la penetración que se genere en la pasta.
TIEMPO DE FRAGUADO INICIAL. Lapso de tiempo que transcurre desde que se agrega el agua hasta que la pasta pierde viscosidad y eleva su temperatura, e indica que la pasta esta semidura y parcialmente hidratada.
TIEMPO DE FRAGUADO FINAL. Tiempo transcurrido desde que se agrega el agua hasta que la pasta se encuentra dura y deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, volviéndose rígida y con un mínimo de temperatura. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento y la pasta ya fraguada va adquiriendo resistencia.
2.2. ENSAYO DE CONSISTENCIA NORMAL. En Chile este ensayo se encuentra normado por la Nch 151-68 “Método de determinación de la consistencia normal del cemento” ya sea para la elaboración de morteros u hormigones. Su finalidad es encontrar la relación agua-cemento (cantidad de agua) necesaria para que la mezcla genere una pasta normal de conformidad a los índices de medición establecidos por la norma, el cual que va a servir para luego calcular el tiempo de fraguado. La consistencia deseada se va a lograr cuando la pasta de cemento haya logrado generar una oposición a la penetración de una sonda normalizada. Las pruebas se efectúan con una muestra 500 gr. de cemento que puede ser amasada de forma manual o a máquina, siendo esta la única salvedad con relación al procedimiento en general que en lo demás conserva las mismas etapas y tiempos normados: 1. Para el caso del “amasado manual”, la muestra se coloca sobre una superficie no absorbente, de preferencia una placa de vidrio, formando un anillo sobre el cual se vierte una cantidad determinada de agua y con ayuda de una espátula se va a ir humectando de a pocos volcando desde la orilla hacia dentro el cemento, sin exceder más de 30 segundos en esta operación, luego durante otro igual intervalo de tiempo se continua con el resto de material seco para luego revolver vigorosamente por un espacio de 5 minutos a fin de lograr una mescla homogénea. 2. Si se opta por el método de “amasado mecánico”, se va a hacer uso de un “batidor”, colocando la muestra dentro de su recipiente en el que previamente fue colocado agua en una cantidad determinada, se deja transcurrir 30 segundos para que el cemento absorba el agua y se hace funcionar la mezcladora a velocidad moderada (140 +- 5 r.p.m.) durante otros 30 segundos, se detiene la el procedimiento durante 15 segundos raspando 5
con una espátula de goma los bordes del recipiente de cualquier resto de cemento para agregarlo al total y finalmente continuar con el amasado a velocidad rápida (285 +- 10 r.p.m.) durante 1 minuto. A partir de este punto el procedimiento no difiere en nada. Se retira y coloca una cantidad de material en un molde de forma cónica de dimensiones normalizadas cuidando de no presionar, hasta enrazarla finalmente con la ayuda de una espátula de acero, colocando el molde con la pasta sobre una placa de vidrio y centrándolo debajo del vástago del aparato de Vicat, colocando el extremo inferior de la sonda Tetmayer en contacto con la superficie de la pasta, fijando el tornillo en la medida cero del indicador, soltando luego la sonda lográndose a un consistencia normal cuanto esta se detiene a 6 +- 1 mm. Sobre el fondo del molde después de 30 segundos. Es muy importante que: Durante el ensayo se evite en lo posible generar vibraciones sobre el aparato, que cada ensayo sea efectuado con muestras nuevas y que se confeccionen pastas con distintas proporciones de agua hasta lograr obtener la consistencia normal requerida. Así mismo, el entorno de trabajo tiene que estar acondicionado en cuanto a condiciones de temperatura ambiente, humedad relativa y temperatura del agua de amasado, datos que serán indicados en un apartado de los anexos que acompañen al presente informe. Que cada amasada sea usada en solo una prueba, no es reutilizable el material restante de un ensayo para otro que busque determinar la consistencia normal.
2.3. ENSAYO DE TIEMPO DE FRAGUADO. Proceso regulado por la Nch. 152-71, guarda estrecha relación con el descrito previamente ya que se ensaya a partir de la pasta de cemento de consistencia normal, calculando su tiempo de fraguado en función a la resistencia que va a oponer la muestra a la penetración de una aguja instalada en el vástago del aparato de Vicat, de la misma forma que la sonda Tetmayer. En razón a los tiempos de control y lo acotado del horario del curso solamente se va a explicar de manera teórica como se lleva a cabo todo este proceso: Las condiciones del entorno conforme a lo dispuesto en la normativa: la temperatura de la sala se mantendrá entre 18º C y 27ºC, la humedad relativa de la sala será superior o igual a 50% y la temperatura del agua de amasado será de 23ºC +- 2ºC. Los materiales y aparatos usados en la preparación de la muestra deben estar a una temperatura entre los 18ºC y 27ºC. Se sigue el procedimiento indicado para obtener una pasta de consistencia normal. Las muestras de pasta deben colocarse previamente en una cámara de humedad que estará construida de tal forma que en ella pueda conservarse una humedad
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relativa superior o igual a 90 % y a una temperatura de 23 ºC +- 2ºC. y se tomarán en el tiempo que sea necesario para iniciar los ensayos. Se toma una muestra y se coloca probeta debajo de la aguja del aparato de Vicat, con el extremo de la aguja en contacto con la superficie de la pasta y se fija el tornillo. Se hace coincidir el indicador con la marca superior 0 de la escala milimetrada o y se suelta el dispositivo. El aparato debe estar libre de vibraciones. Se efectúan mediciones sucesivas cada 10 min. a distancias iguales o superiores a 10 min. del borde interior del molde y a 5 mm entre ellas. Se limpia la aguja después de cada medición. Se considera que el cemento ha alcanzado el principio de fraguado o fraguado inicial cuando la aguja se detenga a 4 +- 1 mm sobre el fondo del molde 30 segundos después de haber soltado el dispositivo móvil. Para la determinación del tiempo de fraguado final se invierte la probeta con el molde, la prueba se hará cuando la pasta esté suficientemente dura. Se considera que se ha alcanzado el final del fraguado cuando la aguja deja una impresión ligera, sin dejar marca del borde circular del accesorio Los tiempos de fraguado inicial y final se cuentan desde el momento en que se inicia el mezclado de la pasta de cemento y los resultados se expresan en horas y minutos con aproximación de 10 min. A manera de ejemplo para ilustrar mejor lo descrito se propone lo siguiente, partiendo del porcentaje de agua obtenido en el laboratorio para la consistencia normal de la muestra. Los demás datos consignados son ficticios, pero van a permitir entender el proceso de medición de fraguado tanto inicial como final:
a) Determinación agua para consistencia normal. Se va a tomar el porcentaje en agua obtenido en en el laboratorio para lograr la consistencia normal del cemento, proceso que se describirá en punto 4.2 y sgtes del presente informe:
% agua= 32 % Masa cemento= 500 gr. Volumen de agua= (32/100)500=ml 160 ml.
AGUA= ( PESO AGUA/PESO CEMENTO)*100
1gr=1ml
b) Registro lectura - tiempos.
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LECTURA
TIEMPO
penetración
(min)
( mm)
obse rvaci one s
1
30
40
2
40
40
3
50
40
4
60
40
5
70
40
6
80
40
7
90
40
8
100
39,6
9
110
39,4
10
120
38
11
130
37,2
12
140
38,6
13
150
37,2
14
160
36 a 4mm sobre el fondo
15
170
20
16
180
7
17
190
2
18
200
1,5
19
210
0 no se aprecia marca
La primera lectura inicia en 30 min ya que es el tiempo trancurrido desde que se inició el amasado de pasta de cemento. (Nch 152-71, punto 9, inciso 9.9). c) Tiempo de fraguado inicial: la normativa nos indica que “se ha alcanzado el principio de fraguado cuando la aguja se detiene a 4mm +- 1mm sobre el fondo del molde 30 segundos despues de haber soltado el dispositivo móvil”. Las mediciones fueron efectuadas cada 10 min. siendo que al min. 160 en la lectura nº 14 la aguja se detiene conforme a lo requerido, correspondiendo al fraguado inicial. d) Tiempo de fraguado final: se invierte la probeta y se advierte que a la lectura nº 19 a 210 min de iniciado el desarrollo del ensayo, no se aprecia marca visible soble la muestra, correspondiendo por lo tanto al tiempo final de fraguado.
3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS. APARATO DE VICAT. Armazón con un vástago móvil provisto de una sonda o aguja (dependiendo del tipo de ensayo a efectuarse), un indicador y opcionalmente un freno. El vástago puede fijarse en cualquier posición mediante un tornillo. El indicador es ajustable y se mueve sobre una escala graduada en mm. Lo que va a permitir este dispositivo es conocer a través de pruebas de penetración la resistencia de la pasta de cemento (consistencia normal) hasta lograr una masa plástica y fluida, así como conocer el tiempo que demora en fraguar y obtener un estado de solides que impida la penetración del instrumento de medición. Peso total con sonda 300,0 +- 0,5 gr.
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MOLDE. De forma cónica: Diámetro inferior 70 +- 3 mm. Diámetro superior 60 +- 3mm. Altura: 40 +- 1mm. SONDA TETMAYER. De latón pulido, cilíndrica con base plana: Diámetro 10 +- 0,05 mm. Longitud libre 49 +- 1,00 mm. AGUJA DE VICAT. Accesorio hueco de metal, se usa para la determinación del tiempo de fraguado. Diámetro 0,5 +- 0,1 mm.
4. PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO: DETERMINACION DE LA CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO Nch 151. 4.1. MATERIALES: Cemento (500 g por ensayo). Balanza electrónica. Espátula de goma Espátula metálica. Aparato de Vicat. Sonda Tetmayer. Poruña. Cronómetro. Molde cónico de plástico. Superficie de vidrio. Probeta. Amasadora mecánica.
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4.2. DESARROLLO: El desarrollo del presente taller se llevó a cabo en el laboratorio de materiales de la universidad, donde se contaba con una muestra de cemento a granel, desconociendo su tipo: puzolánico, siderúrgico, portland o especial (Nch 148-68 Cemento- Terminología, clasificación y especificaciones), origen (marca) y forma en como fue obtenida la muestra (Nch 162-71 Cemento – extracción de muestras). El profesor del curso da las indicaciones pertinentes, haciendo un repaso y dando aclaraciones sobre la pauta a ejecutar conforme a la normativa, llevando a cabo el primer ensayo con 507,5 g. de cemento, debidamente pesado en recipiente tarado en balanza electrónica. Con la probeta se miden 240 ml de agua de la llave, que son vertidos en el recipiente de la amasadora mecánica y posteriormente se le agrega el cemento.
Se espera 30 seg. Para que el cemento absorba el agua, concluido el tiempo se da un primer amasado a velocidad lenta durante 30 seg. cronometrados por un compañero del curso a cargo de esta tarea. Se detiene la máquina y durante 15 seg. se raspa y retira la pasta de los bordes del recipiente de amasado integrándolo con el resto, inmediatamente finalizado el tiempo y vuelve a mesclar la pasta a velocidad rápida durante un minuto.
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Ya homogenizada la muestra se procede a tomar material y colocarlo en el molde cónico ubicado previamente sobre una superficie de vidrio, se llena al tope el molde, se enraza y se ubica debajo del aparato de Vicat, centrándolo con relación a la sonda de 10 mm de diámetro, que en su extremo inferior va a tope con la superficie de la pasta.
Se posiciona la medida en cero y se suelta la sonda que llega inmediatamente al tope de la superficie de apoyo del molde.
Este primer ensayo no guarda correspondencia con lo requerido por la norma, concluyendo que la cantidad de agua fue mucha, por lo que se ejecuta otra prueba con menor dosificación de agua. Se sigue en estricto rigor los pasos de preparación de la muestra en cuanto a forma y tiempo, variando la medida de agua (180 ml) y cemento (500 gr.) para preparar una segunda muestra de pasta, obteniendo los mismos resultados de la primera prueba Para la tercera muestra se reduce la medida de agua (120 ml) obteniendo en la etapa de amasado una pasta “muy seca”, incluso difiriendo con el procedimiento normado se agregó 30 ml de agua a esta amasada para soltarla un poco más, pero al final se optó por descartarla. Para la cuarta muestra se mide 160 ml de agua frente a 500 gr. de cemento, pasta que termina cumpliendo lo requerido para la determinar la consistencia normal 11
del cemento, deteniéndose a 7 mm del fondo del molde en 30 seg. (procedimiento normalizado), por lo cual se da por cumplido el objetivo del ensayo. Se procede a calcular el porcentaje de agua respecto de la masa seca.
4.3. OBSERVACIONES. Se considera pertinente hacer presente las diferencias existentes entre el desarrollo descrito y lo establecido por la Nch 151-68:
Se desconoce la procedencia de la muestra, el tipo de cemento y como se obtuvo, en atención a la Nch 162-71 (obtención de muestras) aplicable a este tipo de pruebas. No se tuvo un control del entorno, el normalizado: la temperatura de la sala entre 18º C y 27ºC, la humedad relativa de la sala será superior o igual a 50%, empíricamente se podría decir que las condiciones del laboratorio estaban por debajo de lo requerido, sensación térmica muy fría. No se tomó la temperatura del agua de amasado que por requerimiento técnico debería ser de 23ºC +/- 2ºC. solo se tomó agua de la llave que al tacto estaba muy fría. Los materiales y aparatos usados en la preparación de la muestra deberían de haber estado a una temperatura entre los 18ºC y 27ºC., cosa que tampoco se tomó en cuenta. En general las condiciones del medio ambiente fueron de una temperatura muy fría que no se ajustaban a lo prescrito por la norma.
5. FÓRMULA. PORCENTAJE DE AGUA. %AGUA= ( PESO AGUA/PESO CEMENTO)*100
6. RESULTADOS. DETUVO RESPECTO PENETRACIÓN DEL FONDO TIEMPO mm. mm. seg.
ENSAYO Nº
PESO MUESTRA gr.
AGUA ml.
1
507,5
240
40
0
30
2
500
180
40
0
30
3
500
150
0
0
30
4
500
160
33
7
30
12
PORCENTAJE DE AGUA: %AGUA=(160 ml/500 gr)*100 %AGUA=(160 gr/500 gr)*100 %AGUA= 32 %
densidad del agua: 1 gr. = 1ml
El porcentaje necesario de agua para lograr una consistencia normal (plasticidad y fluidez óptima) en la muestra de cemento disponible en el laboratorio es del 32%.
6.1. INFORME RESUMEN (tipo según Nch 151) a) Método usado: amasado manual b) Tipo de molde empleado: cónico que cumple especificaciones ítem 5.5. Nch 15168. c) Tipo de aparato de Vicat: sin freno d) Resultado %: 32 %
7. CONCLUSIONES. Al no haberse guardado la formalidad del procedimiento en cuanto al control de condiciones térmicas del ambiente y los materiales, se concluye que la rigurosidad de los resultados obtenidos pueden o no ajustarse a los determinados en las especificaciones técnicas por los proveedores de cemento en cuanto a la determinación de la consistencia normal del aglomerante, es decir, la exactitud del ensayo puede no ser la más acertada. La humedad, temperatura y calidad del agua deben haber influido en gran o mayor medida sobre el resultado. Al desconocerse la forma de obtención de la muestra se concluye que no puede determinarse y compararse la exactitud de los resultados obtenidos, dado que no se puede saber hasta qué punto puede influir en el ensayo (contaminación de las muestras con partículas ajenas al cemento). Al no conocer el tipo de cemento materia de ensayo no se puede corroborar la certeza de los resultados con los efectuados por empresas productoras del producto para poder así establecer el grado de fiabilidad llegado con el ensayo, en condiciones distintas a la normalizada. Cada tipo de cemento existente en el mercado tiene varía en cuanto a sus componentes por lo que existe una clasificación: puzolánico, siderúrgico, portland o especial (Nch 148-68 Cemento Terminología, clasificación y especificaciones generales) y por ende el requerimiento de agua para lograr la consistencia normal debería ser distinto en cada caso. La importancia de conocer la consistencia normal del cemento no es menor, ya que al cumplir la función de aglomerante, la resistencia que va a ofrecer el hormigón o el mortero va a guardar estrecha relación con la cantidad de agua que se use para el amasado, concluyendo a mayor cantidad de agua la resistencia será
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menor y a mayor cantidad se obtendría un producto difícil de trabajar sin fluidez ni plasticidad, que es lo que se busca lograr y conocer con el ensayo de consistencia normal.
BIBLIOGRAFÍA Nch 151-68 Cemento – Método de determinación de la consistencia normal. Nch 152-71 Cemento – Método de determinación del tiempo de fraguado. Nch 162-77 Cemento – Extracción de muestras. Nch 148-68 Cemento - Terminología, clasificación y especificaciones generales.
ANEXOS. APARATO DE VICAT
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AGUJA Y SONDA
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