MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRÁULICO MEDIANTE EL APARATO DE VICAT (I .N.V. N.V. E – 118 118 ) Y LAS AGUJAS DE GILLMORE (I .N.V. N.V. E – 109) 109) . JESSICA FORERO ÁVILA Estudiante de Ingeniería Civil Código 2123506 Universidad Industrial de Santander LAURA PATRICIA HERNÁNDEZ MUÑOZ Estudiante de Ingeniería Civil Código 2101938 Universidad Industrial de Santander SERGIO ENRIQUE PINILLA Estudiante de Ingeniería Civil Código 2123505 Universidad Industrial de Santander UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Físico-mecánicas Escuela de Ingeniería Civil Caracterización de Materiales I Grupo F2 Segundo semestre del 2015 RESUMEN Dentro del proceso de endurecimiento del cemento hidráulico podemos encontrar diversas reacciones químicas. Justo en el contacto con el agua se libera una reacción exotérmica que caracteriza el inicio de un endurecimiento no tan instantáneo de la mezcla. Para la realización de este proceso se determina la consistencia normal del cemento por medio de unos equipos de esencial ayuda para el mismo. Tales equipos contribuyen a la obtención de los resultados basados en unas pruebas, considerando así un inicio de tiempo de fraguado y un final. Siendo el estado inicial cuando la mezcla pierde notablemente notablemente su plasticidad y se vuelve complicado de manipular, y siendo el tiempo final muy notable ya que su consistencia es muy apreciable, tendiendo a comportarse como un sólido. Este tiempo de fraguado puede variar un poco, dependiendo las las condiciones del medio ambiente ambiente y de la calidad calidad del cemento.
PALABRAS CLAVE: CEMENTO HIDRÁULICO, FRAGUADO, APARATO DE VICAT, AGUJAS DE GILLMORE. ABSTRACT Within the process of hardening hydraulic cement can find various chemical reactions. Just in contact with water releases an exothermic reaction that characterizes the start of an instant hardening so no mixing. For the realization of this process is determined normal consistency of the cement by means of essential equipment help it. Such teams contribute to obtaining the results based on tests, thus considering setting start time and end. As the initial state when the mixture substantially loses its plasticity and becomes difficult to handle, and the end time being quite remarkable because its consistency consistency is very significant and and tends to behave like like a solid. The setting time time may vary slightly slightly
depending on environmental conditions and the quality of the cement.
KEYWORDS: Hydraulic cement, setting, Vicat apparatus, Gillmore needles.
1. INTRODUCCIÓN Fraguado es el cambio del estado plástico al estado endurecido de una pasta de cemento. Aunque durante el fraguado la pasta requiere de alguna resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último se refiere al aumento de resistencia de una pasta de cemento fraguado.
En esta práctica, se calcularan los tiempos de fraguado del cemento portland según las normas NTC 109 y 118.
2. MARCO TEÓRICO Consistencia Normal: La prueba de consistencia normal permite conocer la cantidad de agua que es necesaria agregar a un peso de cemento (500 g), para obtener dicha consistencia. La determinación de esta sirve como referencia para la realización de otras pruebas como: determinación de la resistencia a la tensión, tiempos de fraguado, sanidad del cemento, expansión en autoclave, y otras. Las propiedades del concreto, tales como la resistencia y la trabajabilidad son dependientes no solo de las condiciones del medio y de la calidad de los agregados, sino también de las proporciones de las mezclas, de este último factor, la proporción agua/cemento (a/c) es fundamental. El término hidratación hace referencia a la adición de agua a un compuesto o material. Este proceso de hidratación en cementos tipo Portland comprende básicamente tres etapas. Primera etapa: Investigaciones han demostrado que en esta etapa se da la formación de hidróxido de
calcio y de etringita, esta etapa ocurre a temperatura ambiente, se tiene registros de que ocurre de 3 a 10 minutos de iniciado el amasado. Segunda etapa: Se caracteriza por la formación de cristales muy pequeños con tubosidades de silicato de calcio hidratado, esto es una hora después de la primera etapa. En este momento solo la capa superficial ha iniciado la reacción química, esta etapa se caracteriza por la formación de entrecruzamientos de micro cristales fibrosos, esto gracias a la subdivisión que tiene a cabo tanto la tobermorita y la etringita. Investigaciones indican que esta etapa tiene una duración de aproximadamente 24 horas, y es muy importante para el desarrollo de la resistencia mecánica del material. Tercera etapa: Esta última etapa se extiende hasta la hidratación total, y los poros existentes se llenan con los productos de la hidratación que se producen en cada caso. La importancia de este factor radica en que la cantidad de agua por peso de cemento es proporcional a la resistencia de la mezcla. Si no se conoce la cantidad justa para hidratar el cemento se podría perder propiedades fundamentales, que conllevan a la afectación directa de la calidad de un proyecto. Por lo tanto conocer con precisión la relación a/c es fundamental a la hora de realizar el diseño de una mezcla. La resistencia con que contribuyen los agregados es secundaria. Conforme se adicione agua a la mezcla se incrementa la plasticidad y fluidez de la pasta, pero la resistencia actúa de forma inversamente proporcional a este hecho. Lo que sucederá a la pasta, una vez que se le agregue la cantidad justa de agua para su hidratación, será que pierda, con forme se le agregue más agua, su resistencia. Esta pasta mencionada, es específicamente el cemento hidráulico junto con el agua, es un producto de hidratación, una vez que el cemento entre en contacto con el agua este se convertirá en un agente de enlace o ligamento, por lo tanto esta pasta asume de aglomerar los agregados (piedra y arena) de ahí la importancia de conocer la relación a/c para una eficiencia optima de la pasta, en donde la misma afectara de forma directa el concreto. Se toma en cuenta la temperatura del agua, la humedad relativa y la temperatura del aire, ya que son factores que influyen en la reacción química del
cemento con el agua. La humedad relativa es el grado de saturación de agua que tiene un espacio. Teóricamente se sabe que para este tipo de ensayo se debe realizar con una humedad relativa mayor al 50% ya que si se tuviera una humedad relativa menor o igual el medio en que se encuentra la pasta le sustraería el agua efectiva a la mezcla para alcanzar un equilibrio de humedad con el medio.
Aparato de Vicat Está diseñado para determinar la consistencia normal, la consistencia estándar y el tiempo de fraguado del cemento y la cal. Consta de un armazón con un vástago móvil provisto de una Sonda de Tetmayer, un indicador opcionalmente de un freno. El vástago se puede fijar en cualquier posición mediante un tornillo; Consiste en un marco que incorpora un émbolo móvil de 300 g, diámetro de 10 mm, en uno de sus extremos está equipado con una aguja extraíble de 1 mm de diámetro y 50mm de longitud. El indicador es ajustable y se mueve sobre una escala graduada de 0 a 50 mm.
Aparato de Gillmore Está diseñado para determinar los tiempos de fraguado de pastas de cemento hidráulico, por medio de las agujas de Gillmore. Consta de: -Un soporte rígido. - Dispositivo para penetración inicial de 113,4 g, con aguja de 2,12 mm de diámetro. - Dispositivo para penetración final de 453,6 g con aguja de 1,006 mm y placa base no absorbente de 102 mm de lado.
Tiempos de fraguado Para determinar los tiempos de fraguado inicial y final, se ha de utilizar una pasta pura de cemento de consistencia normal. Por lo tanto es necesario para determinar cualquier cemento dado el contenido de agua de la pasta que se necesita para producir la consistencia deseada. 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 aún más 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. Los Factores que más inciden en los Tiempos de Fraguado: • • •
•
Composición química del cemento Finura del cemento; entre más fino sea, es mayor la velocidad de hidratación Mientras mayor sea la cantidad de agua de amasado, dentro de ciertos límites, más rápido es el fraguado. A menor temperatura ambiente, las reacciones de hidratación son más lentas.
3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
Balanza: Utilizada para pesar los materiales (cemento y agua), debe tener una precisión de 0,5% sobre la cantidad pesada.
F igura 1. Balanza de 0,5% de precisión sobre la cantidad pesada.
Muestra Cemento (Holcim tipo1): la muestra utilizada en la preparación debe ser de 500 gr.
Mezcladora: Para conseguir la mezcla del sistema cemento-agua y preparar la pasta de consistencia normal.
F igura 4. M ezcladora, r ecipiente de mezcla y paleta.
Placa de vidrio: sobre la cual se dispone la muestra.
F igura 5. Placa de vidrio F igur a 2. C emento (H olcim tipo1)
Probetas graduadas: para medir el agua, en su caso; deben tener una precisión de 1 % sobre la cantidad medida.
Espátula: sirve para alisar o limpiar la muestra en el recipiente utilizado
F igura 6. Espátula.
F ig ura 3: P robetas graduadas
Aparato de Vicat.
El aparato de Vicat consiste de un soporte rígido que sostiene un vástago móvil, que pesa 300 g. Uno de sus extremos es el émbolo, el cual tiene 10 mm de diámetro y una longitud mínima de 50 mm; el
otro extremo tiene una aguja removible de 1 mm de diámetro y 50 mm de longitud. El vástago es reversible, puede sostenerse en la posición deseada por medio de un tornillo y tiene un índice ajustable que se mueve sobre una escala graduada en milímetros y rígidamente unida al soporte. La pasta se coloca en un molde fijo de forma tronco- cónica que está apoyado sobre una placa de base no absorbente de aproximadamente 100 cm². El vástago debe ser de acero inoxidable con una dureza no menor de 35 HRC y debe estar sobre el mismo eje que el émbolo. El molde debe ser de material anticorrosivo, no absorbente, además debe tener un diámetro interior de 70 mm en la base mayor y 60 mm en la base menor y una altura de 40 mm.
F igura 8. Aparato de Gillmore
Molde.
F igura 9. Molde Gillmore
4. PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE FRAGUADO: PARTE A: F igura 7 . Aparato de Vicat
Agujas de Gillmore
Un dispositivo de penetración inicial: tiene un vástago móvil, con un compensador de peso y una aguja en uno de sus extremos. El conjunto debe pesar 113,4 g ± 0,5 g. El diámetro de la aguja debe ser de 2,12 mm ± 0,05 mm y su longitud de 4,8 mm ± 0,5 mm. Un dispositivo de penetración final: tiene un vástago móvil, con un compensador de peso y una aguja en uno de sus extremos. El conjunto debe pesar 453,6 g ± 0,5 g. El diámetro de la aguja debe ser de 1,06 mm ± 0,05 mm y su longitud de 4,8 mm ± 0,5 mm.
DETERMINACIÓN DEL FRAGUADO CON LAS GILLMORE:
TIEMPO AGUJAS
DE DE
PROCEDIMIENTO: 1.
Se preparan 500 g de cemento con el porcentaje de agua requerido para preparar una pasta de consistencia normal (NTC 110), de acuerdo con la NTC 112.
2.
Se extiende la pasta preparada sobre una placa de vidrio. Luego con ayuda del palustre, se lleva la pasta desde la periferia hacia adentro, hasta formar un
tronco de cono con bases paralelas de aproximadamente 76 mm de diámetro en la base mayor y 50 mm en la base menor, aproximadamente 13 mm de altura. Inmediatamente después se alisa la superficie y procedemos a preparar las determinaciones de penetración.
3.
En el ensayo con las Agujas de Gillmore, el tiempo de fraguado inicial se obtiene cuando la aguja delgada de 2,12 mm ± 0,05 mm no deja huella sobre la muestra. Del mismo modo, el tiempo de fraguado final se da cuando la aguja gruesa de 1,06 mm ± 0,05 mm no deja huella en la misma.
PARTE B: DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE FRAGUADO CON EL APARATO DE VICAT:
Con la pasta de cemento obtenida en el laboratorio anterior (Método para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico), se introduce una porción de dicha pasta en el molde hasta llegar al borde sin compactarla para no alterar la muestra, el molde debe estar siempre sobre la placa de vidrio. Luego se coloca debajo del dispositivo de penetración, éste se baja suavemente hasta que descanse sobre la muestra. En el ensayo con el Aparato de Vicat, se deja que la aguja penetre durante 30 s, momento en el cual debe tomarse la lectura para determinar la penetración; el “tiempo de fraguado inicial” se da cuando se obtenga una
penetración de 25 mm o menos. Se anotan los registros de todas las penetraciones cada 15 minutos y por interpolación se determina el tiempo obtenido para una penetración correspondiente a 25 mm. El tiempo de fraguado final se toma cuando la aguja no deja marca visible sobre la muestra.
TABLA DE DATOS VICAT Hora de inicio
GILLMORE
Penetración (mm)
10:30
Hora de inicio
Penetración (mm)
10:30
11:00
39
11:00
Sí
11:15
39
11:15
Sí
11:30
38
11:30
Sí
11:45
38
11:45
Sí
12:00
38
12:00
Sí
12:15
37
12:15
Sí
12:30
37
12:30
Sí
12:45
36
12:45
Sí
1:00
24
1:00
Sí
1:15
17
1:15
No
1:30
5
1:30
Sí
1:45
1
1:45
No
2:00
0
2:00
No
Agujas de Gillmore: Se obtuvo el tiempo de fraguado inicial a las dos horas y cuarenta y cinco minutos después de iniciar el ensayo; Mientras que el tiempo de fraguado final fue de tres horas y quince minutos.
Aparato de Vicat: Dado que no se obtuvo una penetración exacta de 25 mm, se debe hacer una interpolación con los datos registrados de todas las penetraciones para así poder hallar el tiempo fraguado inicial.
7. BIBLIOGRAFÍA
INSTITUTO
COLOMBIANO
DE
NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. NTC 109. Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método de ensayo para determinar los tiempos de fraguado del cemento hidráulico por medio de las agujas de La ecuación de la interpolación de los datos es: = −1.25 ∗ + 150
Reemplazando 25[mm] en la ecuación se obtiene: 118.75 [], aproximadamente una hora y 58
minutos, el cual es el tiempo de fraguado inicial para este ensayo.
Gillmore. Bogotá D.C: El instituto. 2001
INSTITUTO
COLOMBIANO
DE
NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. NTC 118. Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método
El tiempo de fraguado final es de tres horas y media.
6. CONCLUSIONES
El tiempo de fraguado depende de la relación agua cemento que contenga la pasta pero además de los factores de temperatura y humedad en los cuales se encuentre la mezcla.
El fraguado depende directamente de las condiciones climáticas, tendiendo a variar el tiempo de dicho fraguado.
Los tiempos de fraguado inicial de ambos ensayos varían notoriamente pero el tiempo de fraguado final es casi el mismo; el tener dos valores casi iguales tomados con procedimientos y aparataos totalmente diferentes confirma que el resultado está bien.
de ensayo para determinar los tiempos de fraguado del cemento hidráulico por medio del Aparato de Vicat. Bogotá D.C: El instituto. 2001.
Universidad Centroamericana José Simeón Cañas (UCA)- Determinación del tiempo de fraguado inicial y final del cemento:
[Disponible en] http://www.uca.edu.sv/mecanicaestructural/ materias/materialesCostruccion/guiasLab/e nsayoCemento/Fraguado%20incial%20y%20fin al%20 del%20cemento.pdf.
