TECNOLOGÍA DEL CONCRETO Cemento y agua en el concreto.pdf

UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA

FACULTAD FACUL TAD DE INGENIERÌA

CAPITULO 2: EL CEMENTO En 1824, el ingles J. Aspin, elaboró y patentó un producto similar al cemento, obtenido mediante la cocción de una mezcla de calcáreos y arcilla finamente molido molidos. s. Este Este mate materia riall ligant ligante e permit permitió ió confe confeccio ccionar nar un hormi hormigón gón simila similarr al obte obteni nido do con con la pied piedrra Pórtl órtlan and d (cal (calcá cáre reo o muy muy resi resist sten ente te de la isla isla de Pórtland) comúnmente utilizado en Inglaterra para la construcción. De aquí la denominación de “ cemento portland” .

CEMENTO PORTLAND Según la Norma Técnica Peruana NTP 334. 334.0 009, el cemento Pórtland es un cemento hidráulico producido mediante la pulverización pulverización del Clìnker compuesto esencialmente por silicatos de calcio hidráulicos y que contiene generalmente una o más de las formas sulfato de calcio como adición durante la molienda, es decir:

cemento o Pó Pórtl rtland and es un polvo muy fino de color verdoso. Al mezclarlo con El cement agua forma una masa (pasta) muy plástica y moldeable que luego de fraguar y endurecer, adquiere gran resistencia y durabilidad.


CLINKER PORTLAND Es un producto semi acabado de forma de piedras negr negruz uzca cass de ta tama maño ñoss de ¾” aproximadamente, obtenido de la calcinación de una mezcla de mater material iales es calcár calcáreos eos y arcil arcillos losos os en propo proporc rcion iones es convenientes, hasta llegar a una fusión incipiente (Cl (Clinkerización) ón) a 1450 °C. Está compuesto químicamente por Silicatos de calcio, aluminatos de calcio, ferro aluminatos de calcio y otros en pequeñas cantidades, los cuales se forman por la combinación



CLINKER PORTLAND Es un producto semi acabado de forma de piedras negr negruz uzca cass de ta tama maño ñoss de ¾” aproximadamente, obtenido de la calcinación de una mezcla de mater material iales es calcár calcáreos eos y arcil arcillos losos os en propo proporc rcion iones es convenientes, hasta llegar a una fusión incipiente (Cl (Clinkerización) ón) a 1450 °C. Está compuesto químicamente por Silicatos de calcio, aluminatos de calcio, ferro aluminatos de calcio y otros en pequeñas cantidades, los cuales se forman por la combinación




a. Ma Mate teria riales les calc calcár áreos eos:: Deben tener un adecuado contenido de carbonato de calcio(Co3Ca) que será entre 60% a 80%, y no deberá tener mas de 1.5% de magnesia. Aquí tenemos a las las mar margas, gas, cret cretas as y cali calizzas en gene generral esto estoss mate materi rial ales es suministran suministran el óxido de calcio o cal.

b.

2.1 MATERIAS PRIMAS DEL CEMENTO PORTLAND

Materiales

arcillosos: Deben

contener sílice en cantidad entre 60% y 70%. Estos materiales proveen el dióxido de silicio o sílice y también el óxido xido de alum alumiinio nio o alúm alúmiina, na, aquí aquí tene tenemo moss a las las piz pizarr arras, as, esqu esquis isto toss y arcillas en genera

Sumini nist stra ran n el óxid óxido o férri érrico co en c. Minerales de fierro: Sumi pequeñas cantidades. En algunos casos éstos vienen con la arcilla

d. Yeso: Aporta el sulfato de calcio

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2.2 COMPUESTOS QUÍMICOS DEL CEMENTO Durante la calcinación en la fabricación del clinker de cemento Pórtland los óxidos se combinan con los componentes ácidos de la materia prima entre si dando lugar a cuatro importantes compuestos . Los principales compuestos que constituyen aproximadamente el 90-95% del cemento, también se presentan en menores cantidades, otros compuestos secundarios

Designación

Fórmula

Abreviatura

Silicato tricálcico Silicato dicálcico Aluminato tricálcico Ferro aluminato tetracálcico Cal libre Magnesia libre (Periclasa)

3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 4CaO.Al2O3Fe2O3 Ca O Mg O

Ca3 Si Ca2 Si Ca3 Al Ca4 Al Fe

Porcentaje 30% a 50% 15% a 30% 4% a 12% 8% a 13%

Estos compuestos en presencia del agua se hidratan y forman nuevos compuestos que forman la infraestructura de la pasta de cemento endurecido en el concreto .



2.2.1 PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS PRINCIPALES •

a. Silicato Tricálcico (Ca3 Si), conocido también como alita

•

Se hidrata y endurece rápidamente Es el más importante de los compuestos del cemento

•

Determina la rapidez o velocidad de fraguado

•

Determina la resistencia inicial del cemento

•

•

•

Libera gran cantidad de calor de hidratación es equivalente a 120 cal/gr. Este compuesto tiene mucha importancia en el calor de hidratación de los cementos Contribuye vloumen

a

una

buena

estabilidad

Contribuye a la resistencia al intemperismo

de


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•

b. Silicato Dicálcico (Ca2Si), conocido también como belita

•

•

•

•

•

Contribuye con las resistencias a edades mayores a una semana Por su porcentaje en el clinker es el segundo en importancia Se hidrata y endurece con lentitud Alcanza elevada resistencia a la compresión a largo plazo (después de prolongado endurecimiento) El Calor de hidratación es equivalente a 63 cal/gr Contribuye a la resistencia al intemperismo junto al Ca3Si Su contribución a la estabilidad de volumen es regular



Es el primero en hidratarse, o sea fragua con mucha rapidez (hidratación violenta)

•

•

c. Aluminato Tricálcico (Ca3 Al)

•

Libera gran cantidad de calor durante los primeros días de la hidratación Incide levemente en la resistencia mecánica

•

•

•

•

Tiene baja resistencia al intemperismo (acción del hielo y deshielo) Tiene mala estabilidad de volumen Escasa resistencia a la acción del ataque de los sulfatos y ataques químicos Calor de hidratación equivalente a 207 cal /gr



•

d. Ferro Alumínato Tetra calcico (Ca4 Al Fe)

•

•

•

Reduce la temperatura de formación del clinker Rápida velocidad de hidratación El calor de hidratación es equivalente a 100 cal/gr (moderado) En la resistencia mecánica no esta definida su influencia

•

La estabilidad de volumen es mala

•

Influye en el color final del cemento

Nota : El Silicato Tricálcico (Ca3 Si) y el Silicato Dicálcico (Ca2 Si) constituye el 75% del cemento. Por eso la resistencia mecánica se debe a éstos dos compuestos.



a). Finura o fineza b). Peso especifico

2.3 PROPIEDADES DEL CEMENTO

c). Tiempo de fraguado d). Estabilidad de volumen e). Resistencia a la compresión f). Contenido de aire g). Calor de hidratación



• Economía

Ventajas de adquirir el cemento a granel

en la compra de cemento, mano de obra en la descarga, almacenamiento y manipulación. por pérdidas, debido a • Economía deterioros en las bolsas. • Incremento en la productividad de la obra, se cuenta con el cemento inmediatamente • Mínimo riesgo de robos. • Además que significa para un país ahorro de sus divisas por la disminución de la importación de insumo para fabricación del envase



2.4 TIPOS DE CEMENTO La ASTM C-150, Especificaciones de Norma para el Cemento Portland (Standard Specification for Portland Cement), designa ocho tipos de cementos, usando los números romanos, como sigue:

Tipo I Tipo IA Tipo II Tipo IIA Tipo III Tipo IIIA Tipo IV Tipo V

Normal Normal con aire incluido Moderada resistencia a los sulfatos Moderada resistencia a los sulfatos con aire incluido Alta resistencia inicial (alta resistencia temprana) Alta resistencia inicial con aire incluido Bajo calor de hidratación Alta resistencia a los sulfatos

La AASHTO M-85, Especificaciones para el Cemento Portland (Specification for Portland Cement), también usa cinco designaciones para el cemento portland del I al V. Los requisitos de la M-85 son casi idénticos a los de la ASTM C-150. Las especificaciones de la AASHTO se usan por algunos departamentos de transporte en lugar de las normas ASTM.



2.4.1 Cementos Hidráulicos sin adición

Tipo I

El cemento tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tanques, embalses, tubería, mampostería y productos de concreto prefabricado.


Tipo II

Tipo III


El cemento tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros expuestos a suelos o agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa. El cemento tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C3A). El cemento tipo III ofrece resistencia a edades tempranas, una semana o menos. Este es química y físicamente similar al cemento tipo I. a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover las cimbras lo más temprano posible o la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, su empleo permite una reducción en el tiempo de curado.


Tipo IV


El cemento tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento tipo IV en estructuras de concreto masivo (hormigón masa), tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada. El cemento tipo IV raramente está disponible en el mercado.


Tipo V


El cemento tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos, donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos. Su desarrollo de resistencia es más lento que el cemento tipo I. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico (menor al 5%). El uso de baja relación agua materiales cementantes y baja permeabilidad son fundamentales para el buen desempeño en estructura expuesta a los sulfatos.


Cementos con Aire Incluido


La ASTM C-150 y la AASHTO M-85 presentan especificaciones para tres cementos con aire incluido (incorporado) (Tipos IA, IIA y IIIA). Ellos corresponden a la composición de los cementos ASTM tipos I, II y III, respectivamente, a excepción de que, durante su producción, se muelen pequeñas cantidades de material incorporador (inclusor) de aire juntamente con el clínker.


Cemento Portland Blanco


El cemento portland blanco se produce de acuerdo con las especificaciones de la ASTM C-150, normalmente tipo I o tipo III. El proceso de producción se controla de tal manera que el producto final sea blanco, contienen cantidades insignificantes de óxidos de hierro y magnesio, pues son estas substancias las que le dan el color gris al cemento. El cemento portland blanco se usa principalmente con finalidades arquitectónicas en muros estructurales, concreto prefabricado (premoldeado) y concreto reforzado con fibras de vidrio (CRFV), paneles de fachada.



2.4.2 Cementos Hidráulicos adicionados Los cementos adicionados se producen por la molienda uniforme y conjunta o por la mezcla de dos o más tipos de materiales finos. Los materiales principales son cemento portland, escoria granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice, arcilla calcinada, otras puzolanas, cal hidratada y combinaciones premezcladas de estos materiales (Fig. 2-19) Fig. 2-19. Los cementos adicionados usan una combinación de cemento portland o clinker y yeso mezclados o molidos conjuntamente con puzolanas, escorias o ceniza volante. La ASTM C 1175 permite el uso y la optimización de todos estos materiales, simultáneamente si necesario, para producirse un cemento con propiedades óptimas. Se enseñan el cemento adicionado (al centro) rodeado por (derecha y en el sentido del reloj) clinker, yeso, cemento portland, ceniza volante, escoria, humo de sílice y arcilla calcinada



Los cementos hidráulicos mezclados necesitan estar en conformidad con la ASTM C-595 (AASHTO M-240), Especificación para Cementos Hidráulicos Mezclados (Specification for Blended Hydraulic Cements)o ASTM C-1157, especificación de Desempeño de Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements). La ASTM C-595 establece cinco clases principales de cementos adicionados:

Tipo IS Tipo IP y P Tipo I (PM) Tipo S Tipo I (SM)

Cemento portland alto horno Cemento portland puzolánico Cemento portland modificado con puzolana Cemento de escoria o siderúrgico Cemento portland modificado con escoria

Los cementos tipos IS, IP, P, I(PM) y I(SM) son de uso general (Fig. 2-12), más adelante, se presentan estos tipos de cemento y su uso.



Tipo IS Se puede usar el cemento portland de alto horno, tipo IS, para la construcción en concreto en general. En la producción de estos cementos, la escoria granulada de alto horno tanto se muele juntamente con el clínker,. Puede molerse también de forma separada, para luego después juntarse; obteniéndose el mismo resultado para la producción de concreto. El contenido de escoria de alto horno en este cemento está entre 25% y 70% de la masa del cemento.

Tipo IP y Tipo P Los cementos portland puzolánicos se designan como tipo IP o tipo P. El tipo IP se lo puede usar para la construcción en general y el tipo P se usa en construcciones que no requieran altas resistencias iniciales. Se fabrican estos cementos a través de la molienda conjunta del clínker de cemento portland con una puzolana adecuada, o por el mezclado de cemento portland o cemento de alto horno con puzolana. El contenido de puzolana de estos cementos está entre 15% y 40% de la masa del cemento .



Tipo I (PM) Los cementos portland modificados con puzolana, Tipo I(PM), se usan en construcciones de concreto en general. El cemento se fabrica con la combinación del cemento portland o el cemento portland de alto horno y una puzolana fina. Esta combinación se puede lograr por: (1) (2) (3) (4)

El mezclado del cemento portland con la puzolana El mezclado del cemento portland de alto horno con la puzolana La molienda conjunta del cemento portland y de la puzolana La combinación de la molienda y el mezclado.

El contenido de puzolana es menor que 15% de la masa del cemento final. se recomienda en obras masivas o con ataques de aguas agresivas, aguas negras, en cimentaciones en todo terreno, son cementos de moderado calor de hidratación y de moderada resistencia a los sulfatos.



Tipo S El cemento de escoria se produce por: (1) Mezclado de la escoria granulada de alto horno y el cemento portland (2) Mezclado de la escoria granulada de alto horno con la cal hidratada Mezclado de una combinación de escoria granulada de alto horno, cemento portland y cal hidratada El contenido mínimo de escoria es del 70% de la masa del cemento.

Tipo I (SM) Se en construcciones de concreto en general. Este cemento se produce por: (1) Molienda conjunta del clínker de cemento portland con la escoria granulada de alto horno, (2) Mezcla del cemento portland con la escoria granulada de alto horno finamente molida (3) Una combinación de molienda conjunta y mezcla. El contenido de escoria es menor que 25% de la masa del cemento final.



Cementos adicionados de escorias, se puede emplear en todo tipo de construcciones de concreto son resistentes a la agresión química, se puede utilizar en estructuras en ambientes y suelos húmedos-salitrosos, para estructuras en cimientos y pisos. En general se puede decir que tienen moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación.

Tipo ICo Cemento adicionado obtenido por la pulverización conjunta de Clinker Pórtland y materiales calizos (travertino), hasta un 30% de peso. Se puede utilizar en obras de concreto y de concreto armado en general, morteros en general, especialmente para tarrajeo y asentado de unidades de albañilería, pavimentos y cimentaciones.



En el Perú, la norma NTP 334.082 trae los requisitos de desempeño para los cementos portland para aplicaciones generales y especiales, sin restricciones a la composición o a los constituyentes de los cementos. Esta norma tiene como base la ASTM C 1157. La norma diferencia los cementos portland modificados (con hasta 15% de adiciones) de los cementos adicionados (con más del 15% de adiciones) y los clasifica según sus propiedades: • • • • • •

tipo GU HE MS tipo tipo MH LH

(construcciones generales), (alta resistencia inicial), (moderada resistencia a los sulfatos), HS (alta resistencia a los sulfatos), (moderado calor de hidratación) y (bajo calor de hidratación) y la opción R de baja reactividad a los álcalis con agregados reactivos.

Cemento de Albañilería (NTP 334.069): Cemento obtenido por la pulverización de Clinker Pórtland y materiales que mejoran la plasticidad y la retención de agua.



2.5 ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO La buena disposición que se adopte para el almacenamiento de los insumos del concreto, contribuirá en la buena marcha de la obra, además de una producción eficiente del concreto de calidad. El diseño general de las instalaciones de almacenamiento, se efectúa en la etapa previa de la construcción, teniendo en cuenta entre otros los siguientes parámetros: •

• •

• • • •

Ubicación y características del área donde se asienta la construcción. Espacios disponibles. Consumo promedio de concreto de acuerdo al cronograma de la obra. Consumo máximo y duración del periodo en el cual se realiza la mayor producción de concreto. Forma y medios de aprovisionamiento de los materiales. Stock mínimo que es conveniente mantener. Ubicación de las mezcladoras o central de mezcla. Alternativas y costos para las diferentes instalaciones de almacenamiento



2.6 Recomendaciones para su almacenamiento. •

•

•

•

•

El cemento es un material sensible a la humedad; si se mantiene seco, va a retener su calidad indefinidamente. El cemento almacenado en contacto con el aire húmedo o humedad fragua más lentamente y tiene menos resistencia que un cemento mantenido seco. En la planta de cemento y en las instalaciones de las plantas de concreto premezclado, el cemento a granel se almacena en silos. La humedad relativa en los almacenes o cobertizos usados para guardar los sacos de cemento debería ser la más baja posible. Todas las fisuras y aberturas de los muros y techos deberían ser cerradas.



2.7 Recomendaciones para el apilamiento •

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•

•

•

El apilamiento del cemento, por periodos no mayores de 60 días, podrá llegar hasta una altura de doce bolsas. Para mayores periodos de almacenamiento el limite recomendado es el de ocho bolsas, para evitar la compactación del cemento. Las bolsas de cemento se dispondrán de manera que se facilite su utilización de acuerdo al orden cronológico de recepción, a fin de evitar el envejecimiento de determinadas partidas. No deberá aceptarse, de acuerdo a lo establecido en la norma, bolsas deterioradas o que manifiesten señales de endurecimiento del cemento. Por lo menos el cemento deberá ser separado del piso en unos 10 cm y apoyado sobre tablas.



CAPITULO 3: EL AGUA EN EL CONCRETO Prácticamente cualquier agua natural que sea potable y no presente fuerte sabor u olor se la puede usar como agua de mezcla (de mezclado, de amasado) para la preparación del concreto (Fig. 4-1). Sin embargo, también se pueden emplear en concreto algunas aguas que no se consideran potables. El agua es un elemento fundamental en la preparación del concreto, estando relacionado con la resistencia, trabajabilidad y propiedades del concreto endurecido El agua empleada en la preparación y curado del concreto, deberá cumplir con los requisitos establecidos en la Norma NTP 334.088 y ser de preferencia agua potable.

Fig. 4-1. El agua que es buena para beber es buena para el concreto.



Está prohibido el empleo de aguas ácidas, calcáreas, carbonatadas, provenientes de minas o relaves, aguas que tengan residuos minerales o industriales, aguas con contenidos de sulfatos mayor a 1%, aguas que contengan materia orgánica. Podrá utilizarse aguas naturales no potables, previa autorización de la inspección, únicamente si: Están limpias y libres de cantidades perjudiciales de aceites, ácidos, álcalis, y otros elementos dañinos para el concreto. La calidad del agua, determinada mediante análisis de laboratorio, cumple con los valores que a continuación se indican: •

•

SUSTANCIAS

VALOR MAXIMO

DISUELTAS

ADMISIBLE

Cloruros

300 ppm

Sulfatos

300 ppm

Sales de magnesio

150 ppm

Sales solubles

1500ppm

P.H.

Mayor de 7

Sólidos en suspensión

1500 ppm

Materia orgánica

10 ppm



Si en el concreto han de estar embebidos elementos de aluminio y/o fierro galvanizado, el contenido de cloruro indicado anteriormente, deberá disminuir a

50 ppm. El contenido de ión cloruro presente en el agua (ACI 318) y demás ingredientes del concreto no deberá exceder, expresado como porcentaje en peso del cemento, de los siguientes valores:

Concreto presforzado

0.06%

Concreto armado, con elementos de aluminio o de fierro galvanizado embebidos

0.06%

Concreto armado expuesto a la acción de cloruros

0.10%

Concreto armado no protegido, el cual cual puede estar sometido a un ambiente húmedo pero no expuesto a cloruros

0.15%

Concreto armado que deberá estar seco o protegido de la humedad durante su vida por medio del recubrimiento impermeable

0.80%



El exceso de impurezas en el agua de mezcla no sólo puede afectar el tiempo de fraguado y las resistencia del concreto, sino también puede causar eflorescencias, manchado, corrosión del refuerzo, instabilidad del volumen y reducción de la durabilidad. Se muestra el resumen de los efectos de ciertas impurezas (sustancias) del agua de mezcla sobre la calidad del concreto normal:

CARBONATO ALCALINO Y BICARBONATO

CLORURO

El carbonato de sodio puede causar fraguado rápido, el bicarbonato puede tanto acelerar como retardar el fraguado. Estas sales, cuando se encuentran en grandes concentraciones, pueden reducir la resistencia del concreto. El efecto adverso de los iones cloruro sobre la corrosión de la armadura (refuerzo) es la principal razón de preocupación a respecto del contenido de cloruros en el agua usada para la preparación del concreto. Los iones cloruro atacan el filme (capa) de óxido protector que se forma sobre el acero resultante de la alta alcalinidad.


SALES DE HIERRO

SULFATO

OTRAS SALES COMUNES

SALES DE HIERRO


Las aguas subterráneas naturales raramente contienen más de 20 a 30 ppm de hierro, sin embargo las aguas ácidas de mina pueden contener grandes cantidades de hierro. Las sales de hierro en concentraciones de hasta 40,000 ppm no afectan las resistencias del concreto La preocupación a respecto del alto contenido de sulfato en el agua usada para la preparación del concreto se debe a las reacciones expansivas potenciales y al deterioro por el ataque de sulfatos, principalmente en áreas donde el concreto será expuesto a suelos o aguas con alto contenido de sulfatos. Los carbonatos de calcio y magnesio no son muy solubles en agua y raramente se encuentran en concentraciones suficientes para afectar la resistencia del concreto. Los bicarbonatos de calcio y magnesio están presentes en algunas aguas, pero no se consideran perjudiciales las concentraciones menores que 400 ppm. Las aguas subterráneas naturales raramente contienen más de 20 a 30 ppm de hierro, sin embargo las aguas ácidas de mina pueden contener grandes cantidades de hierro. Las sales de hierro en concentraciones de hasta 40,000 ppm no afectan las resistencias del concreto.

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