UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
INFORME Nº 1
INVESTIGACIÓN
CURSO:
Tecnología del Concreto.
TEMA:
Calor de Hidratación del Concreto no endurecido.
GRUPO:
INTEGRANTES:
N° 9
DÁVILA MIRANDA, Eder DÁVILA MONTENEGRO, Juan Pier
SECCIÓN:
“A”
Pimentel, 17 de Mayo del 2012 1
ÍNDICE Pág. -
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………......
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CAPÍTULO I -
MARCO TEÓRICO……………………………………………………………. 5
Calor de Hidratación del concreto... ……………………………. 5
Propiedades del cemento………….……….………………… ..… 6
CAPÍTULO II -
CONCLUSIONES……………………………………………………………..
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ANEXOS…….……..…………………………………………………………..
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BIBLIOGRAFIA...…..…………………………………………………………..
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INTRODUCCIÓN Las reacciones de hidratación del cemento portland son altamente exotérmicas, provocando el calentamiento de la pasta. El desarrollo de calor es rápido durante el fraguado y parte del endurecimiento, disminuyendo progresivamente al hacerse la hidratación más lenta, hasta llegar a estabilizarse. Así, en los primeros 3 días se genera el 50% del calor y el 80% hasta los 7 días. Sin embargo, en las primeras horas se producen variaciones importantes de temperatura que pueden ser causa de retracciones, que a su vez dan como resultado el agrietamiento observado en algunas obras de construcción que emplean grandes masas de hormigón o en estructuras en las que se utilizan mezclas ricas en cemento. En este aporte de calor debido a procesos de hidratación participan los distintos constituyentes del cemento, de forma que es el aluminato tricálcico con 207 cal/g y la cal libre con 279 cal/g los que más calor desarrollan, y siendo el silicato bicálcico el que menos, con 62 cal/g. Por lo tanto, el calentamiento en la hidratación del cemento es función de la proporción de sus distintos constituyentes, de forma que es importante conocer y cuantificar el contenido de los mismos, así como de los materiales que sean incorporados como adiciones. Por este motivo, cuando a través de la incorporación de puzolanas se quieran elaborar cementos de bajo calor de hidratación, la selección de los materiales a adicionar es un tema a tener en cuenta, como se ha puesto de relieve en trabajos de investigación previos. En esta investigación se han elegido materiales con carácter puzolánico, tanto de origen natural como artificial (subproductos industriales o materiales activados térmicamente), así como un filler calizo, para ser adicionado a un cemento portland, que sirve como referencia.
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PRIMER CAPÍTULO 1°
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MARCO TEÓRICO 1) CALOR DE HIDRATACIÓN DEL CONCRETO
1.1) Concepto Durante el proceso de hidratación, se efectúan reacciones químicas exotérmicas, es decir reacciones que liberan calor, haciendo que los concretos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura. Este incremento es importante cuando se elaboran estructuras que involucran grandes volúmenes de concreto, tales como presas, debido a que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso de la temperatura, se origina contracción del material, que puede conducir a la formación de grietas y fisuras. El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. Depende de la composición del cemento y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los compuestos individuales. El procedimiento para medirlo se encuentra descrito en las normas ASTM C 186, NTC 117, COVENIN 0495, IRAM 1617, IRAM 1852, NMX-C-151-ONNCCE, NTE 0199, NTP334.064, UNIT 326 o por calorímetro calorímetro de d e conducción.
(Fig. 1) El calor de hidratación se puede determinar por (izquierda) ASTM C 186 y por (derecha) calorímetro calorímetro de conducción.
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La siguiente tabla resume las características de los compuestos principales del cemento.
Características de los compuestos Propiedad Resistencia Intensidad de reacción Calor de hidratación Resistencia a los sulfatos
C3S Buena Media Medio Buena
C2S Buena Lenta Pequeño Buena
C3A Pobre Rápida Grande Pobre
C4AF Pobre Rápida Pequeño Media
2) Propiedades del cemento El estudio de las propiedades del cemento, permite conocer algunos aspectos de su bondad como material cementante. Estas propiedades son de carácter químico, físico y mecánico y dependen del estado en el cual se encuentren.
Propiedades químicas
El proceso de clinkerización del cemento involucra la transformación de las materias primas a productos más complejos, por medio de reacciones en estado sólido. Razón por la cual, la química del cemento frecuentemente emplea un módulo basado en abreviaturas para las fórmulas químicas de los óxidos más frecuentes, tal como se ilustra en la tabla 1. Los cuatro compuestos principales del cemento se forman a partir de estos óxidos, son los que se enumeran en la tabla 2.
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(Tabla 1) Nomenclaturas de los óxidos del cemento Fórmula CaO SiO 2 Al 2O3 Fe 2O3
Nombre
Abreviatura
Oxido de Calcio “Cal” Dióxido de sílice “Silicato” Oxido de Aluminio “Aluminato” Óxido de Hierro “Hierro”
C S A F
(Tabla 2) Compuestos principales del concreto
Nombre Silicato Tricálcico Silicato Bicálcico Aluminio Tricálcico Ferro-aluminato Tetracálcico
Nomenclatura en el Clinker Común
Comercial
C 3S C 2S C 3 A C 4 Af
Alita Belita Celita Felita
Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material intersticial que contiene C4AF y otros elementos secundarios.
La alita (C3S) es la fase principal de la mayoría de los Clinkers Portland, y de ella depende en buena parte las características de desarrollo de resistencia mecánica; el C 3S reacciona rápidamente con el agua, endurece en corto tiempo y tiene alto calor de hidratación, de tal manera, que afecta el tiempo de fraguado y la resistencia inicial.
La belita es usualmente la segunda fase es importancia del Clinker y su componente principal es el C 2S, éste reacciona lentamente con el
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agua, con un consecuente bajo calor de hidratación y una contribución al desarrollo de la resistencia a partir de siete días. La figura 1 muestra esquemáticamente la contribución de los componentes principales del cemento, en el calor de hidratación y la figura 2 en la resistencia a la compresión.
(Figura 1) Calor de hidratación de los componentes principales del cemento
(Figura 2) Resistencia de los componentes principales del cemento
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La fase belita (C 2S) y la alita (C 3S), determinan decisivamente el desarrollo de la resistencia y difieren entre sí en su tasa de endurecimiento y de liberación de calor de hidratación. El contenido de estas dos, suman aproximadamente el 75% del cemento.
La fase aluminato, está constituida básicamente por C 3A, aunque no es compuesto puro, sino más bien una solución sólida de C 3A con algo de impurezas de SiO 2 y MgO que reacciona de manera rápida con agua, construye con calor alto de hidratación y a una alta resistencia inicial. Además, confiere al concreto propiedades indeseables, como cambios volumétricos y poca resistencia a la acción de los sulfatos, razón por la cual su contenido se limita entre 5 y 15% según el tipo de cemento. Finalmente, las cantidades efectivas de los diferentes tipos de compuestos varían considerablemente de un cemento a otro y realmente es posible obtener distintas clases de él, agregando en forma proporcional los materiales correspondientes. En la tabla 3 se enumeran algunos valores típicos de la composición de los diferentes tipos del cemento. (Tabla 3) Valores típicos de los compuestos de los diferentes tipos de cemento Portland
Tipo de Cemento Portland Tipo I II III IV V
CSA Normal Moderado De rápido endurecimiento De bajo calor hidratación Resistente a los sulfatos.
Composición Porcentaje C 3S
C2S
C3 A
C4AF
50 42 60 26 40
24 33 13 50 40
11 5 9 5 4
8 13 8 12 9
Puede observarse que el cemento Portland tipo 2, se rebaja a la cantidad de silicio tricálcico y del aluminio tricálcico, puesto que son los dos compuestos que tienen individualmente calor de hidratación. En el cemento Portland tipo 4 se reducen, aún más los porcentajes de silicato tricálcico (C 3S) y aluminato tricálcico (C 3A). Naturalmente la 9
reducción del primer componente, hace que este cemento adquiera en forma lenta su resistencia mecánica. Para el cemento Portland tipo 5 se hace una fuerte reducción del contenido de sulfo-aluminato de calcio, para cuando el concreto sea atacado por los sulfatos, y evitar que la sustancia que se forma cuando está endurecido, produzca su destrucción.
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SEGUNDO CAPÍTULO 2°
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2.1) Conclusiones En nuestra investigación presente, concluimos que el calor de hidratación del concreto es sumamente importante en el proceso constructivo de éste, ya que en el proceso de fraguado y endurecimiento puedan aumentar de temperatura, Este incremento es importante cuando se elaboran estructuras que involucran grandes volúmenes de concreto, tales como presas, debido a que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso de la temperatura, se origina contracción del material, que puede conducir a la formación de grietas y fisuras. La química del cemento frecuentemente emplea un módulo basado en abreviaturas para las fórmulas químicas de los óxidos más frecuentes. Los cuatro compuestos principales del cemento se forman a partir de estos óxidos; teniendo en cuenta su reacción en las figuras 1 y 2.
Silicato Tricálcico (C 3S) Silicato Bicálcico (C 2S) Aluminio Tricálcico (C 3A) Ferro-aluminato Tetracálcico (C 4Af)
2.2) ANEXOS 2.2.1) El clinker de cemento: Puede definirse como el producto granulado obtenido por tratamiento térmico hasta reblandecimiento o fusión parcial y sinterización de mezclas adecuadas de calizas y arcillas y, eventualmente, de arenas y minerales de hierro. El clinker es la conversión a elevadas temperaturas de mezclas de minerales naturales en una nueva escala de minerales con propiedades hidráulicas obtenidas generalmente entre 1250 y 1450° C de temperatura.
2.2.2) NORMA ASTM C186
Importancia y Uso
El propósito de este ensayo es determinar si el cemento hidráulico bajo prueba cumple el requisito de calor de hidratación del cemento hidráulico especificación aplicable. 12
Esta prueba puede también usarse para fines de investigación cuando se desea determinar el calor de hidratación del cemento hidráulico a cualquier edad.
Nota 1: Cuando las pruebas se realizan con fines de investigación, información adicional útil puede obtenerse mediante la determinación de composiciones de finura, químicos y compuestos. Determinación del calor de hidratación de los cementos hidráulicos proporciona información que es útil para el cálculo de aumento de temperatura en el hormigón en masa.
Alcance
1) Este método de ensayo cubre la determinación del calor de hidratación de un cemento hidráulico mediante la medición del calor de disolución del cemento seco y el calor de disolución de una porción separada del cemento que ha sido parcialmente hidratada para 7 y durante 28 días, la diferencia entre estos valores es el calor de hidratación para el período respectivo hidratante. 2) Los resultados de este método de ensayo puede ser inexacta si algunos de los componentes del cemento hidráulico son insolubles en el ácido nítrico / solución de ácido fluorhídrico. 3) Esta norma no pretende señalar todos los problemas de seguridad, si las hay, asociadas con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma para establecer la seguridad apropiada y prácticas de salud y determinar la aplicabilidad o las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
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2.3) BIBLIOGRAFÍA Tecnología y Propiedades – segunda edición (1997) Soria, F.: "Estudio de Materiales: IV - Conglomerantes hidráulicos. Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento. CSIC. Madrid, pp. 186 (1980). Springenschmid, R.: “Cracks in Concrete Caused by the Heat of Hidration”. Zement Kalk Gips, N. 3,132-138 (1991). Roy, D.M.: "Fly ash and silica fume chemistry and hidration". Third Int. Conference Fly ash, silica fumer, slag, natural pozzolans in concrete. Trindheim, Norway, vol. 1,117-138(1989). Massazza, F. : "Structure of pozzolan and fly ash and the hidration of pozzolanic and fly ash cments. 7 th Int. Congress on the chemistry of cements. Paris. IV. 85-96 (1980).
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FICHA TÉCNICA
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CALOR DE HIDRATACIÓN DEL CONCRETO NO ENDURECIDO Durante el proceso de hidratación, se efectúan reacciones químicas exotérmicas, es decir reacciones que liberan calor, haciendo que los concretos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura. Este incremento es importante cuando se elaboran estructuras que involucran grandes volúmenes de concreto, tales como presas, debido a que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso de la temperatura, se origina contracción del material, que puede conducir a la formación de grietas y fisuras. El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. Depende de la composición del cemento y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los compuestos individuales. El procedimiento para medirlo se encuentra descrito en las normas ASTM C 186 o por calorímetro de conducción. La siguiente tabla resume las características de los compuestos principales del cemento.
Características de los compuestos Propiedad
C3S
C2S
C3A
C4AF
Resistencia
Buena
Buena
Pobre
Pobre
Intensidad de reacción
Media
Lenta
Rápida
Rápida
Calor de hidratación
Medio
Pequeño
Grande
Pequeño
Resistencia a los sulfatos
Buena
Buena
Pobre
Media
PROPIEDADES QUÍMICAS DEL CEMENTO Compuestos principales del concreto
Nombre
Nomenclatura en el Clinker Común
Comercial
Silicato Tricálcico
C 3S
Alita
Silicato Bicálcico
C 2S
Belita
Aluminio Tricálcico
C 3 A
Celita
Ferro-aluminato Tetracálcico
C 4 Af
Felita
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NORMA ASTM C186 •
Importancia y Uso
El propósito de este ensayo es determinar si el cemento hidráulico bajo prueba c umple el requisito de calor de hidratación del cemento hidráulico especificación aplicable. Esta prueba puede también usarse para fines de investigación cuando se desea determinar el calor de hidratación del cemento hidráulico a cualquier edad. Nota 1: Cuando las pruebas se realizan con fines de investigación, información adicional útil puede obtenerse mediante la determinación de composiciones de finura, químicos y compuestos. Determinación del calor de hidratación de los cementos hidráulicos proporciona información que es útil para el cálculo de aumento de temperatura en el hormigón en masa.
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Alcance
1) Este método de ensayo cubre la determinación del calor de hidratación de un cemento hidráulico mediante la medición del calor de disolución del cemento seco y el calor de disolución de una porción separada del cemento que ha sido parcialmente hidratada para 7 y durante 28 días, la diferencia entre estos valores es el calor de hidratación para el período re spectivo hidratante. 2) Los resultados de este método de ensayo puede ser inexacta si algunos de los componentes del cemento hidráulico son insolubles en el ácido nítrico / solución de ácido fluorhídrico. 3) Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como el estándar. Los valores indicados entre paréntesis son sólo a título informativo. 4) Los valores en unidades SI deben ser obtenidos por medición en unidades del SI o por conversión apropiada, utilizando las reglas para la conversión y redondeo dada en la norma IEEE / ASTM SI 10, o las mediciones realizadas en otras unidades. 5) Esta norma no pretende señalar todos los problemas de seguridad, si las hay, asociadas con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma para establecer la seguridad apropiada y prácticas de salud y determinar la aplicabilidad o las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
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