EL CEMENTO
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ENSAYO DE MATERIALES
MONOGRAFIA DEL CEMENTO
CURSO:
CUARTO
PARALELO:
SEGUNDO
ENSAYO DE MATERIALES
MONOGRAFIA DEL CEMENTO
CURSO:
CUARTO
PARALELO:
GRUPO:
TERCERO
DIA:
FECHA DE ENTREGA:
NOMBRE:
SEGUNDO
MARTES: 14-17 HORAS
06 de Mayo del 2011
VINICIO ALEJANDRO LOACHAMIN ANDRANGO
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ENSAYO DE MATERIALES
MONOGRAFIA DEL CEMENTO
CURSO:
CUARTO
PARALELO:
GRUPO:
TERCERO
DIA:
FECHA DE ENTREGA:
NOMBRE:
SEGUNDO
MARTES: 14-17 HORAS
06 de Mayo del 2011
VINICIO ALEJANDRO LOACHAMIN ANDRANGO
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MONOGRAFÍA TEMA: El Cemento Hidráulico
CAPÍTULO 1: MATERIAS PRIMAS PARA LA FABRICACIÓN DEL CEMENTO HIDRAÚLICO 1.
Introducción
El cemento es uno de los materiales más usados en el mundo, después del agua; esto se debe a las diferentes aplicaciones que se pueden dar al mismo; pero principalmente se lo utiliza en la rama de la construcción. El cemento es un material muy versátil, cuya característica fundamental es la capacidad de fraguar sumergido en el agua. Esta particularidad es una de las principales causas de su popularidad, ya que desde hace siglos se ha intentado fabricar un conglomerante que posea esta característica, pero todos los intentos no dieron resultados, estos conglomerantes antiguos generalmente de cal o arcilla, no servían para construcciones acuáticas, ya que al contacto con el agua se disgregaban; pero existen algunos indicios de de que los primeros en fabricar un mortero hidráulico fueron los antiguos griegos y romanos, que descubrieron las ventajas de la mezcla de puzolanas (ceniza volcánica) con cal, las cuales dan al mortero un comportamiento hidráulico. Apenas a comienzos del siglo XX, se logra descubrir las características de un mortero hidráulico, utilizando cal impura (cal con distintos componentes) recocida cerca del punto de fusión y arci arcilla lla,, esto esto gene genera ra una una pied piedra ra arti artific ficia iall que que al mole molers rse e finam finamen ente te representa la base del actual cemento, denominado clinker Portland. Esta mezcla tiene un proceso de fraguado inmediato; para evitar esta situación se le pulv pulver eriz iza a conj conjun unta tame ment nte e con con yeso yeso,, el cual cual es un inhi inhibi bido dorr de fraguado, obteniendo como producto final el cemento Portland actual. Este producto tiene un origen químico, en el que el carbonato de calcio de las calizas, se combina con los silicatos y demás óxidos de la arcilla, formando especies mineralógicas artificiales las cuales dan dan todas las características al cemento, las cuales son determinadas en las plantas procesadoras, además todos los procesos de control de calidad del cemento se lo realizan en la misma planta; por este motivo
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1.1
Materia Prima para la fabricación de Cemento Hidráulico
La fabricación del cemento hidráulico es un descubrimiento reciente en la humanidad, este tipo de cemento tiene la característica peculiar de fraguar en presencia del agua, particularidad que no se presenta en ningún otro tipo de conglomerante o aglutinante tal como la cal. Pero los principios que se involucran en este descubrimiento fueron ya utilizados hábilmente por los antiguos romanos y griegos, utilizando las Puzzolanas (ceniza volcánica proveniente de la región de Puzzolli), las cuales otorgaban las características hidráulicas al mortero utilizado por estas civilizaciones. En la era actual el cemento como se lo ideo originalmente ha dejado de servir para su utilización en la industria constructiva, debido a la falta de propiedades adicionales, con las que se intentan disminuir la acción de diferentes agentes agresivos externos en la pasta cementante; estas propiedades se las encuentra en los denominados cementos compuestos. Estos cementos compuestos en la actualidad están formados básicamente por el clinker (caliza y arcilla cocida molida finamente), yeso (que actúa como retardante de fraguado), hierro, arena y otros compuestos regulados. A continuación se detallan cada uno de ellos.
1.1.1 Caliza La caliza es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3), generalmente calcita. También puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc., que modifican el color y el grado de coherencia de la roca. El carácter prácticamente mono-mineral de las calizas permite, sin embargo, reconocerlas fácilmente gracias a dos características físicas y químicas fundamentales de la calcita: es menos dura que el acero (su dureza en la escala de Mohs es de 3) y reacciona con efervescencia en presencia de ácidos tales como el ácido clorhídrico. La formación de la caliza puede ser de dos tipos. De origen químico cuando el carbonato de calcio se disuelve con mucha facilidad en aguas que contienen gas carbónico disuelto (CO2). En entornos en los que aguas cargadas de CO2 liberan bruscamente este gas en la atmósfera, se produce generalmente la precipitación del carbonato de calcio en exceso según la siguiente reacción: Ca2+ + 2 (HCO3−) = CaCO3 + H2O + CO2
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Esa liberación de CO2 interviene, fundamentalmente, en dos tipos de entornos: en el litoral cuando llegan a la superficie aguas cargadas de CO2 y, sobre los continentes, cuando las agua subterráneas alcanzan la superficie. También la formación de la caliza puede ser de origen biológico, esto se produce en el proceso de fosilización de los seres vivos. Numerosos organismos utilizan el carbonato de calcio para construir su esqueleto mineral, debido a que se trata de un compuesto abundante y muchas veces casi a saturación en las aguas superficiales de los océanos y lagos. Tras la muerte de esos organismos, se produce en muchos entornos la acumulación de esos restos minerales en cantidades tales que llegan a constituir sedimentos que son el origen de la gran mayoría de las calizas existentes.
1.1.2 Arcilla La arcilla es uno de los compuestos mineralógicos más comunes sobre la superficie de la Tierra, la arcilla en si es una mezcla de silicatos de diferentes metales principalmente silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de minerales de aluminio. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura. Surge de la descomposición de rocas que contienen feldespato, originada en un proceso natural que dura decenas de miles de años. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es: Al2O3 · 2SiO2 · H2O Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800º C. La arcilla endurecida mediante la acción del fuego fue la primera cerámica elaborada por el hombre, y aún es uno de los materiales más baratos y de uso más amplio. Ladrillos, utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la ocarina son elaborados con arcilla. Los diferentes tipos de suelos arcillosos son denominados generalmente como Caolín, cuyo principal mineral constituyente es la colinita.
1.1.3 Arena La arena es un conjunto de partículas de rocas disgregadas. En geología se denomina arena al material compuesto de partículas cuyo tamaño varía entre 0,063 y 2 mm. Una partícula individual dentro de este rango es 5
llamada grano de arena. Una roca consolidada y compuesta por estas partículas se denomina arenisca. Las partículas por debajo de los 0,063mm y hasta 0,004mm se denominan limo, y por arriba de la medida del grano de arena y hasta los 64mm se denominan grava.
1.1.4 Hierro Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo
1.1.5 Yeso El yeso es un producto preparado básicamente a partir de una piedra natural denominada aljez, mediante deshidratación, al que puede añadirse en fábrica determinadas adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad, que una vez amasado con agua, puede ser utilizado directamente. También, se emplea para la elaboración de materiales prefabricados. El yeso, como producto industrial, es sulfato de calcio hemihidrato (CaSO 4·½H2O), también llamado vulgarmente "yeso cocido". Se comercializa molido, en forma de polvo. Una variedad de yeso, denominada alabastro, se utiliza profusamente, por su facilidad de tallado, para elaborar pequeñas vasijas, estatuillas y otros utensilios. 6
El yeso natural, o sulfato cálcico bihidrato CaSO 4·2H2O, está compuesto por sulfato de calcio con dos moléculas de agua de hidratación. Si se aumenta la temperatura hasta lograr el desprendimiento total de agua, fuertemente combinada, se obtienen durante el proceso diferentes yesos empleados en construcción, los que de acuerdo con las temperaturas crecientes de deshidratación pueden ser:
Temperatura ordinaria: piedra de yeso, o sulfato de calcio bihidrato: CaSO4· 2H2O. 107 ºC: formación de sulfato de calcio hemihidrato: CaSO 4·½H2O. 107 - 200 ºC: desecación del hemihidrato, con fraguado más rápido que el anterior: yeso comercial para estuco. 200 - 300 ºC: yeso con ligero residuo de agua, de fraguado lentísimo y de gran resistencia. 300 - 400 ºC: yeso de fraguado aparentemente rápido, pero de muy baja resistencia 500 - 700 ºC: yeso Anhidro o extra cocido, de fraguado lentísimo o nulo: yeso muerto. 750 - 800 ºC: empieza a formarse el yeso hidráulico. 800 - 1000 ºC: yeso hidráulico normal, o de pavimento. 1000 - 1400 ºC: yeso hidráulico con mayor proporción de cal libre y fraguado más rápido.
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CAPÍTULO 2: PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO HIDRAÚLICO 2.1
Procedimientos
El tipo de materia prima, y la localización de la misma condicionan las diferentes etapas para la creación del cemento hidráulico. Pero estas convergen convencionalmente en cuatro etapas diferentes:
2.1.1 Explotación de Canteras y Trituración del material El primer paso para la fabricación del cemento hidráulico es buscar depósitos de roca que tengan las características necesarias para obtener un cemento de calidad. La cal es el componente que se encuentra en mayor cantidad en el clinker del cemento Portland y su origen se debe a la descomposición del carbonato de calcio por medio del calor. Como se dijo anteriormente, se usa una variedad de elementos como materia prima, los cuan hjbb nmmles se pueden clasificar según su contenido de carbonatos de calcio de la siguiente manera:
Calizas: Portadoras en abundancia de carbonato de calcio (75 100%)
Margas: Su contenido de carbonato de calcio es de 40 - 75% y van acompañadas de sílice y productos arcillosos.
Arcillas: Principalmente contienen sílice combinada con alúmina y otros componentes como óxidos de hierro, sodio y potasio
Generalmente los materiales crudos enunciados no cumplen por completo los requerimientos químicos del cemento portland, por este motivo se utilizan los denominados "correctores" que proporcionan los elementos minoritarios faltantes. Las canteras suelen requerir un "corrector" de hierro, tal como la hematita o la magnetita.
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2.1.2 Calcinación La siguiente etapa es la cocción de la materia prima. Existen dos métodos el de vía seca y húmeda.
2.1.2.1 Método de Vía Seca En el método de vía seca, la mezcla triturada almacenada en los silos de homogenización se lleva a una torre de precalentamiento, que tiene una temperatura entre 900 y 1,000 °C. El calor proviene de gases producidos por la combustión del combustible del horno, el cual puede ser carbón, gas o aceites combustibles. El objetivo del precalentamiento es el de ahorrar energía, ya que se aprovecha el calor emanado por los hornos.
2.1.2.2 Método de Vía Húmeda En el método de vía húmeda no se precalienta la mezcla triturada, sino que ésta es transportada por bombas centrífugas a los hornos. En ambos casos se lleva el material a un horno, el cual es un largo cilindro de acero revestido interiormente con ladrillos refractarios, y que gira alrededor de su eje longitudinal, con una pequeña pendiente descendente. La velocidad de rotación varía de 0 a 150 revoluciones por hora, y a través de ese movimiento el material sigue sus reacciones químicas para formar los compuestos del clinker. En el horno se distinguen las siguientes etapas, las cuales son: secado, calcinación, clinkerización y enfriamiento.
Secado: Se da en el material proveniente del método de vía húmeda.
Calcinación: En esta zona de calcinación los carbonatos de calcio y de magnesio se disocian en óxido de calcio y magnesio respectivamente.
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Clinkerización: En la etapa de clinkerización es donde se producen las reacciones químicas más complejas del proceso, transformándose la materia prima en un nuevo material llamado clinker, que tiene la forma de pelotillas verde-grisáceas de unos 12 mm de diámetro.
Enfriamiento En esta etapa estas pelotillas de clinker, se mezclan con yeso, para ello se muele esta mezcla finamente, hasta que las mezclas sean homogéneas.
En esta parte final, el clinker se convierte en un cemento hidráulico con las propiedades anteriormente descritas. La adición de yeso sirve para retrasar el fraguado, ya que el clinker al contacto con el agua produce una reacción violenta de secado (alrededor de 2 o 3 minutos).
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CAPÍTULO 3: COMPONENTES QUÍMICOS PRINCIPALES DEL CEMENTO 3.1
Componentes Químicos en el cemento
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:
Óxido de calcio (44%), Óxido de silicio (14,5%), Óxido de aluminio (3,5%), Óxido de hierro (3%) Óxido de manganeso (1,6%).
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o calcáreo, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones. La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400°C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen. En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO 2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca3Al) y ferroaluminato tetracálcico (Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua. La energía necesaria para producir el clinker es de unos 1.700 julios por gramo, pero a causa de las perdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de gran 11
cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, un gas de efecto invernadero. Para mejorar las características del producto final al clinker se agrega aproximadamente el 2% de yeso y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo: 64% óxido de calcio 21% óxido de silicio 5,5% óxido de aluminio 4,5% óxido de hierro 2,4% óxido de magnesio 1,6% sulfatos 1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua. Cuando el cemento portland es mezclado con agua, se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas después y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminiohidrato, estringita y monosulfato. El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de silicio (SiO2). Las tres reacciones generan calor. Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios. La calidad del cemento de portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.
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3.2
Reacciones de formación del clinker
Las reacciones de la formación del clinker, por fases de temperatura, son:
De 1.000 a 1.100°C
3CaO+Al2O3 → 3CaOAl2O3 2CaO+SiO2 → 2CaOSiO2 CaO+Fe2O3 → CaOFe2O3
De 1.100 a 1.200°C
CaOFe2O3+3CaOAl2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3
De 1.250 a 1.480°C
2CaOSiO2+CaO → 3CaOSiO2
La composición final será de: 51% 3CaOSiO2 26% 2CaOSiO 11% 3CaOAl2O3 12% 4CaOAl2O3Fe2O3
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3.3
Reacciones de hidratación
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son: 2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(OH)2 2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(OH)2 2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O 3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 → 4CaOAl2O313H2O 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O
Estas reacciones son todas exotérmicas. Es decir que generan calor que se desprende. Esta propiedad del cemento debe ser tomada en cuenta para la fabricación del hormigón, debido a que este calor desprendido produce fracturas en la pasta seca, denominadas fracturas o fisuras de retracción.
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CAPÍTULO 4: PROPIEDADES FÍSICO - MECÁNICAS DEL CEMENTO HIDRAÚLICO 4.1
Propiedades de Físicas
Las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland se miden mediante ensayos realizados en el cemento puro, en la pasta o en el mortero y muestran la calidad del cemento comparando estos resultados con la norma especificada para el cemento. Entre las principales propiedades físicas se encuentran:
4.1.1 Peso Específico La densidad o peso especifico se define como la relación de peso a volumen; su valor varía entre 3.08 a 3.20 g/cm 3 para el cemento portland tipo 1, pero el cemento que tiene adiciones tiene un peso especifico menor porque el contenido de clinker es menor. El peso especifico del cemento no indica la calidad del cemento, pero se emplea en el diseño y control de mezclas de concreto; sin embargo un peso especifico bajo y una finura alta indican que el cemento tiene adiciones.
4.1.2 Superficie Específica (finura) La finura del cemento es una de las propiedades físicas más importantes del cemento, ya que está directamente relacionada con la hidratación del mismo. La hidratación de los granos de cemento ocurre del exterior hacia el interior; luego el área superficial de la partícula de cemento constituye el material de hidratación, y el tamaño de los granos (su finura) tiene gran influencia en la velocidad de hidratación, en el desarrollo de calor, en la refracción y en el aumento de resistencia con la edad. Cuando el cemento es muy fino endurece más rápido y por tanto desarrolla alta resistencia en menor tiempo; sin embargo libera mayor cantidad de calor y por ende aumenta la retracción y la susceptibilidad a la figuración, además una molienda fina aumenta los costos de producción y 15
hace que el cemento sea susceptible a hidratarse con la humedad ambiental, por lo que su vida útil es más corta. Un grano fino exuda menos que un grano grueso porque retiene mejor el agua al tener mayor superficie de hidratación. La finura se expresa por el área superficial de las partículas contenidas en un grano de cemento y se llama superficie específica; se mide en cm 2/g.
4.1.3 Fraguado del Cemento Al mezclar el cemento con el agua, se forma una pasta en estado plástico, en el cual la pasta es trabajable y moldeable, después de un tiempo que depende de la composición química del cemento, la pasta adquiere rigidez; es conveniente distinguir entre el fraguado y el endurecimiento, pues este último se refiere a resistencia de una pasta fraguada. El tiempo que transcurre desde el momento que se agrega el agua, hasta que la pasta pierde viscosidad y eleva su temperatura se denomina “tiempo de fraguado inicial”, e indica que la pasta esta semidura y parcialmente hidratada. Posteriormente la pasta sigue endureciendo hasta que deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, se vuelve rígida y llega al mínimo de temperatura; el tiempo trascurrido desde que se echa el agua hasta que llega al estado descrito anteriormente se denomina “tiempo de fraguado final”, e indica que el cemento se encuentra aun mas hidratado (no totalmente) y la pasta ya esta dura. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento y la pasta ya fraguada va adquiriendo resistencia. La determinación de los tiempos de fraguado es arbitraria y da una idea del tiempo disponible para mezclar, trasportar, colocar, vibrar y apisonar los concretos y morteros de una obra así como el tiempo necesario para transitar sobre ellos y el tiempo para empezar el curado. La medida de los tiempos de fraguado se hace en el laboratorio siguiendo los métodos de la mediante las agujas de Gillmore y la norma mediante el aparato de Vicat.
Falso Fraguado
Con este nombre se conoce al endurecimiento prematuro y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos que sigue a la adición del agua y difiere del fraguado relámpago porque no presenta desprendimiento de calor; además, al volver a mezclar la pasta sin agregarle agua se restablece la plasticidad y fragua normalmente sin pérdida de resistencia. 16
Este fenómeno se debe a las temperaturas altas (mayores de 100°C) en la molienda, que ocasionan deshidratación parcial o total del retardador que es el yeso. Si la operación de falso fraguado se presenta en la mezclada del concreto, se debe prolongar el tiempo de mezclado y no debe agregarse más agua, porque se altera la relación agua-cemento. Los factores que más inciden en los Tiempos de Fraguado
Composición química del cemento Finura del cemento; entre mas fino sea, es mayor la velocidad de hidratación Mientras mayor sea la cantidad de agua de amasado, dentro de ciertos límites, mas rápido es el fraguado. A menor temperatura ambiente, las reacciones de hidratación son más lentas.
4.2 Propiedades Mecánicas 4.2.1 Resistencia Mecánica del Cemento La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que tiene mayor influencia en los fines estructurales para los cuales se emplea. Para medir la resistencia mecánica del cemento, se fabrican probetas de mortero, empleando arena normalizada de Ottawa con una gradación abierta, compuesta por tres tamaños y con una proporción determinada de 2.75 partes de esta arena por una parte de cemento. Utilizando la cantidad de agua necesaria para que el mortero tenga una fluidez entre 110 y 115. No se realiza esta medición en probetas fabricadas de hormigón, debido ala dificultad de encontrar agregados gruesos normalizados.
4.2.2 Retracción y Fisuras En condiciones normales la pasta de cemento se contrae al endurecer; la mayor retracción ocurre en los primeros dos o tres meses de hidratación del cemento. En cementos normales esta retracción es del orden de 0.015%. Las retracciones se originan cuando los esfuerzos y tensiones
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internas que se producen en proceso de fraguado y/o endurecimiento de la pasta de cemento son superiores a la resistencia de la propia masa. Las retracciones pueden ser debidas a condiciones hidráulicas o a condiciones térmicas. Las de orden hidráulico son motivadas por composición mineralógica del cemento, como: Alto contenido de silicato tricálcico Alto contenido de aluminato tricálcico Alto contenido de álcalis Fraguado y endurecimientos rápidos Bajo contenido de yeso.
Las de orden térmico se deben a:
Finura del cemento Bajo poder de retención de agua por parte del cemento Alta dosificación del cemento
Cuando las retracciones son grandes pueden producir fisuras; sin embargo, existen causas ajenas al cemento que producen fisuramiento como: Asentamiento o desplazamiento de la propia estructura. Deformaciones que experimenta el terreno de cimentación, por sobrecarga O debidas al medio ambiente, como son: la baja humedad relativa, altas temperaturas o vientos fuertes que producen desecación rápida del concreto fresco.
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CAPÍTULO 5: ENSAYOS DE CONTROL DE CALIDAD DEL CEMENTO HIDRÁULICO 5.1
Ensayo de Compresión del Mortero de Cemento
Las propiedades mecánicas del cemento son factores determinantes en el comportamiento del hormigón; por lo que llevar un adecuado control de calidad del cemento como materia prima, además de las diferentes componentes constitutivas del hormigón (agua, arena y ripio). La calidad del cemento esta verificada principalmente por cuatro factores: la densidad específica, la consistencia normal, el tiempo de fraguado, y el factor de resistencia que desarrolla una probeta de cemento en condiciones estándares. Este último control de calidad se realiza en probetas conformadas por cemento y arena de Ottawa, este tipo de arena es especial debido a su forma redondeada y excelente granulometría. Para conformar este micro hormigón se utiliza la cantidad de agua especificada en la norma ASTM, equivalente a la consistencia normal especificada por los fabricantes de determinado cemento. Con esta mezcla se realizan probetas de 5cm por lado, las cuales deben colocarse en la cámara de humedad durante 1 día, y posteriormente se los debe sumergir en agua con cal. La resistencia a la compresión de estas probetas debe ser verificada a los 3, 7 y 28 días. La utilidad de este ensayo de comprobación es verificar las propiedades mecánicas del cemento, ya que las fallas que se producen en el hormigón terminado se deben en la mayoría de los casos por la faltas de calidad del cemento, en este ensayo se analiza el endurecimiento del hormigón a largo plazo, si existen fallas de esta manera se procede a analizar la finura del cemento (proceso complejo), para determinar un posible foco de falla. Si estos ensayos no determinan cual es el productor de la falla en el cemento se deben realizar un análisis químico de los componentes del cemento. Además se pueden presentar factores externos que influyen en la resistencia del mortero de cemento como la humedad natural, la temperatura, los cuales deben ser controlados para la verificación de la resistencia.
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5.2 Ensayo de Determinación de la densidad absoluta, de consistencia normal y de tiempo de fraguado del Cemento Hidraúlico Realizar un análisis para verificar la calidad del cemento es complicado, ya que solamente se lo puede realizar a través de sus propiedades químicas, pero se han ideado métodos en los que verificando ciertas características físicas y mecánicas del mismo, se puede determinar el grado de calidad de los materiales. Estos ensayos que analizan las propiedades físico-mecánicas del cemento, nos dan señales de irregularidades; pero no nos indican con claridad cual es el error en la fabricación del cemento. Estos ensayos son los siguientes: Determinación de la densidad absoluta del cemento (con el picnómetro y el frasco Le Chatellier), Ensayo de consistencia normal (agujas Vicat) y Tiempo de fraguado (agujas Vicat y Guillmore). Los datos obtenidos en estos ensayos, deben ser comparados con los dados por las diferentes procesadoras de cemento, para verificar la calidad.
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CAPÍTULO 6: NORMAS QUE RIGEN LA FABRICACIÓN Y UTILIZACIÓN DEL CEMENTO HIDRAÚLICO 6.1
Norma INEN (ASTM)
Se incluye en esta monografía un resumen de la norma INEN ecuatoriana que rige la fabricación y utilización del cemento hidráulico en la República del Ecuador.
CAMPO DE APLICACIÓN Este reglamento técnico abarca los siguientes productos que se utilicen en el Ecuador, sean estos fabricados localmente o importados: Cementos Pórtland Cementos hidráulicos compuestos Cementos de albañilería Cementos hidráulicos por desempeño Cal hidráulica hidratada para construcción Cal hidratada Cal viva para construcción Yeso para construcción DEFINICIONES
Cemento: Es un producto pulverizado que, por adición de agua, forma una pasta conglomerante capaz de endurecerse. Cemento de albañilería: Es el material obtenido por la pulverización conjunta de clinker Pórtland y materiales que, aún careciendo de propiedades cementantes y/o puzolánicas, mejoran la plasticidad y la retención de agua, haciéndolos aptos para trabajos de albañilería. Cemento hidráulico: Es un cemento que endurece por interacción química con el agua y que también es capaz de hacerlo bajo el agua. Cemento hidráulico compuesto: Cemento hidráulico consistente de dos o más compuestos, uno de los cuales por lo menos no es cemento Pórtland o clinker Pórtland, el cual separadamente o en combinación contribuye a mejorar las propiedades de resistencia del cemento. Este cemento se puede producir con otros constituyentes como adiciones de proceso y/o funcionales, por molido conjunto u otro tipo de mezcla. Cemento natural: Es un cemento hidráulico, obtenido de la caliza arcillosa natural, calcinada hasta una temperatura bajo el punto de sinterización y finamente molido.
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Cemento Pórtland: Cemento hidráulico producido por la pulverización de clinker Pórtland al que usualmente se le añade sulfato de calcio. Cemento Pórtland puzolánico: Es el producto resultante de la pulverización conjunta de clinker Pórtland y puzolana o de una mezcla íntima y uniforme de cemento Pórtland y puzolana finamente molida, con la usual adición de sulfato de calcio, siendo el contenido de puzolana entre el 15 y 40% de la mezcla en masa. Cemento Pórtland puzolánico modificado: Es el producto resultante de la pulverización conjunta de clinker Pórtland y puzolana o de una mezcla íntima y uniforme de cemento Pórtland y puzolana finamente molida, con la usual adición de sulfato de calcio, siendo el contenido de puzolana menor a 15 % de la mezcla en masa. Clinker Pórtland: Es un producto constituido en su mayor parte por silicatos, aluminatos y ferro-aluminatos cálcicos, obtenidos por calcinación hasta fusión parcial de una mezcla predeterminada y homogénea de materiales que contienen principalmente óxido de calcio (CaO), sílice (SiO2), alúmina (Al2O3), óxido férrico (Fe2O3) y otros óxidos en pequeñas proporciones.
PRODUCTO NORMAS
Cementos Pórtland NTE INEN 152 Cementos hidráulicos compuestos NTE INEN 490 Cemento de albañilería NTE INEN 1 806 Cementos hidráulicos por desempeño NTE INEN 2 380 Cal hidráulica hidratada para construcción NTE INEN 246 Cal hidratada NTE INEN 247 Cal viva para construcción NTE INEN 248 Yeso para construcción NTE INEN 1 685
ENSAYOS PARA EVALUAR LA CONFORMIDAD CON ESTE REGLAMENTO Cementos Pórtland. Con el fin de verificar el cumplimiento de los requisitos técnicos establecidos en la NTE INEN 152, se deben efectuar los siguientes ensayos químicos y físicos. Ensayos químicos ENSAYO / NORMA Oxido de Calcio (CaO) NTE INEN 192 Dióxido de silicio (SiO2) NTE INEN 192 Oxido de aluminio (Al2O3) NTE INEN 193 Oxido férrico (Fe2O3) NTE INEN 193 Oxido de Potasio ( K2O) NTE INEN 1 506 Oxido de Sodio (Na2O) NTE INEN 1 506
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Oxido de magnesio (MgO) NTE INEN 192 Trióxido de azufre (SO3) NTE INEN 203 Pérdida por calcinación NTE INEN 160 Residuo insoluble NTE INEN 194 Silicato tricálcico (C3S) NTE INEN 152* Silicato dicálcico (C2S) NTE INEN 152* Aluminato tricálcico (C3A) NTE INEN 152* Ferroaluminato tetracálcico + 2 veces aluminato tricálcico ( C4AF + 2(C3A)) o solución sódica (C4AF + C2F), el que sea aplicable NTE INEN 152* Equivalente Alcalino (Na20+0,658 K2O) NTE INEN 152* Ensayos físicos ENSAYO / NORMA Contenido de aire en el mortero NTE INEN 195 Finura. Método del turbidímetro de Wagner NTE INEN 197 Finura. Método de Blaine NTE INEN 196 Expansión en autoclave NTE INEN 200 Resistencia a la compresión de morteros en cubos de 50 mm de arista NTE INEN 488 Tiempo de fraguado. Método de Gillmore NTE INEN 159 Falso fraguado. Método de la pasta NTE INEN 875 Calor de hidratación NTE INEN 199 Resistencia a los sulfatos. NTE INEN 202 Tiempo de fraguado. Método de Vicat NTE INEN 158
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CAPÍTULO 7: PRODUCCIÓN NACIONAL Y MUNDIAL DE CEMENTO 7.1
La industria del Cemento en el Ecuador
La industria del cemento en Ecuador se inicia en el año 1923 cuando la empresa Industrias y Construcciones instaló la primera planta en la ciudad de Guayaquil, con una producción de 3.000 toneladas/año. En el país, cuatro empresas fabrican cemento, dos privadas y dos que pertenecen a instituciones del estado. Una de las empresas HOLCIM Ecuador, dispone de dos plantas, una de las cuales, San Rafael es únicamente de molienda. Las empresas de cemento se indican en el cuadro siguiente:
EMPRESA
PLANTA Cerro Blanco
UBICACIÓN
LAFARGE CEMENTOS S. A.
San Rafael
Guayaquil Latacunga Otavalo
INDUSTRIAS GUAPÁN S. A.
Guapán
Azogues
CEMENTO CHOMBORAZO C. A.
San Juan Chico
Riobamba
HOLCIM ECUADOR S. A.
La industria nacional suministra el 100% del cemento gris que se consume en el país, siendo el cemento Portland IP, que se elabora bajo la Norma INEN 490 (ASTM C 595) el de mayor comercialización, cementos puros tipo I y II así como por desempeño HE se los puede obtener bajo pedido, cemento blanco y especiales se importan. En el año 2007 la comercialización de cemento gris en el país fue de 4’443.509 toneladas, que represa un crecimiento del 7,3% respecto del año 2006. En el siguiente cuadro se presentan el crecimiento del mercado y el consumo per cápita a partir del año 2000, destacándose que el mercado entre el año 2000 y el 2007, creció en 61% y el consumo per cápita pasó de 225 kg/habitante a 327 kg/habitante.
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CONCEPTO Población 25
La industria nacional en el año 2006 copó su capacidad de producir clinker, no así la de molienda, por lo que a partir de ese año se lo importa para suplir la demanda nacional. Todas las empresas tienen sus planes de expansión, destacándose los trabajos que desde fines del año 2006 realiza el grupo LAFARGE en su planta de Otavalo, que concluirá en el presente año 2008 con la implementación de una nueva línea de producción que le permitirá duplicar de su capacidad para producir cemento, pasando de 800.000 a 1’600.000 toneladas. El gobierno nacional ha anunciado reiteradamente su intención de fortificar a sus empresas, para que en un futuro próximo puedan aumentar su capacidad sustancialmente.
7.2
Producción y consumo de cemento a nivel mundial
La producción y consumo mundial del cemento estan representadas en los siguientes cuadros.
La industria nacional en el año 2006 copó su capacidad de producir clinker, no así la de molienda, por lo que a partir de ese año se lo importa para suplir la demanda nacional. Todas las empresas tienen sus planes de expansión, destacándose los trabajos que desde fines del año 2006 realiza el grupo LAFARGE en su planta de Otavalo, que concluirá en el presente año 2008 con la implementación de una nueva línea de producción que le permitirá duplicar de su capacidad para producir cemento, pasando de 800.000 a 1’600.000 toneladas. El gobierno nacional ha anunciado reiteradamente su intención de fortificar a sus empresas, para que en un futuro próximo puedan aumentar su capacidad sustancialmente.
7.2
Producción y consumo de cemento a nivel mundial
La producción y consumo mundial del cemento estan representadas en los siguientes cuadros.
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Indicadores Internacionales de la Industria del Cemento
PAÍSES CON MAYOR CONSUMO DE CEMENTO (MT)
Fuente: Cembureau EL 19/03/2008 Nota: n/d (no disponible)
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PAÍSES DE MAYOR IMPORTACIÓN DE CEMENTO (MT)
Fuente: Cembureau EL 19/03/2008 Nota: n/d (no disponible)
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PAÍSES CON MAYOR EXPORTACIÓN DE CEMENTO (MT)
Fuente: Cembureau EL 19/03/2008 Nota: n/d (no disponible)
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ANEXOS Proceso de Fabricación del Cemento Portland
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Ubicación de las diferentes empresas fabricadoras de Cemento en el Ecuador
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