Cemento Portland

Hormigón de Cemento Portland
Cemento Portland
INCI 4035 - Materiales de Ingeniería
Civil
El hormigón de cemento Portland es el material de
construcción más utilizado en el mundo.
Edificios, puentes, túneles, represas, fábricas,
pavimentos y otros.
El hormigón de cemento Portland consiste de cemento
Portland, agregados, agua, vacios de aire y a veces
aditivos.
El cemento Portland fue patentado por Joseph Aspdin
en 1824.
Es un pegamento instantáneo (mezclado con agua) que
une agregados para hacer el hormigón de cemento
Portland.
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Ingredientes del hormigón de
Cemento Portland
Producción de Cemento Portland
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Composición química del
cemento
Producción de Cemento Portland
Productos químicos en la materia prima:
Durante la calcinación en el horno (kiln) se producen:
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Caliza
Sílica
Alúmina
Oxido de hierro
Silicato tricalcio (C3S)
Silicato dicalcio (C2S)
Aluminato tricalcio (C3A)
Alúminoferrito tetracalcio (C4AF)
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Hidratación del cemento
Portland
Finura y peso específico del cemento
Portland
Mientras más fino el cemento más rápida la hidratación
y mayor calor de hidratación inicial
Sin embargo, cemento muy fino es más costoso de
producir y puede ser dañino para la calidad del cemento
Algunos números:
Máximo tamaño: 0.09 mm
85-95% son menores que 0.045 mm
El diámetro promedio es 0.01 mm
La gravedad específica (sin incluir vanos): 3.15
Es la reación química entre las partículas de cemento y
el agua
Muchas reacciones químicas ocurren ya que el cemento
tiene muchos compuestos químicos
Los aluminatos se hidratan más rápido que los silicatos
La reacción del aluminato tricalcio con el agua es
inmediata y libera mucho calor
El yeso se usa para retrasar la velocidad de esta reacción
produciendo iones de sulfato.
El balance entre el aluminato y sulfato determina la
velocidad de fragüado.
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Hidratación del cemento Portland
(cont)
Vacíos en el hormigón de cemento
Portland
El cemento de fragüado normal tiene poca concentración
de aluminato y sulfato. Permanece manejable por ~45
min y empieza a solidificarse a las 2~4 horas
Exceso de aluminato y sulfato la manejabilidad dura ~10
min y se solidifica a las 1~2 horas
Alto aluminato con bajo sulfato produce un fragüado rápido
(10~45 min) o un fragüado instantáneo (<10 min)
Bajo aluminato y alto sulfato produce también un
fragüado instantáneo
El silicato tricalcio se hidrata más rápido que el silicato
dicalcio, contribuyendo al tiempo de fragüado final y la
ganancia de resistencia inicial.
La resistencia, durabilidad y estabilidad de volumen del
hormigón estan fuertemente influidos por la cantidad de vacios.
Los siguientes tipos de vacios pueden estar presentes en el
hormigón:
Espacio de hidratación entre capas de C-S-H: Es muy
pequeno y no afecta la resistencia del hormigón.
Vacios capilares: Resultantes del agua que no fue parte de la
hidratación del cemento y que luego se evaporó.
Aire atrapado: Aire que penetra en la pasta de cemento
durante la mezcla.
Aire incorporado: Es un aditivo para mejorar la durabilidad
del hormigón en lugares donde hay hielo/deshielo.
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Propiedades del cemento
hidratado
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Aparato de Vicat
Fraguado
Se refiere al fenómeno en que la pasta de cemento se rigidiza
hasta que cambia de un estado plastico a sólido.
Es diferente el fraguado al endurecimiento: En el
endurecimiento la pasta adquiere resistencia, en el fraguado
no.
El fraguado se define mediante el fraguado inicial y el fraguado
final.
Las definiciones de fraguado inicial y final son arbitrarios y
basados en el aparato de Vicat o las agujas de Gillmore.
Si el cemento esta expuesto a humedad cuando esta
almacenado, puede ocurrir un falso fraguado, en el cual el
cemento se rigidiza a los pocos minutos de empezar la
mezcla.
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Propiedades del cemento hidratado
(cont).
Integridad:
Relación agua-cemento
En 1918 Abrams encontró que la razón del
peso del agua al del cemento (w/c ratio) influia
en todas las propiedades buenas del hormigón.
Ley de Abrams: Para un hormigón totalmente
compactado hecho con agregados buenos y
limpios, la resistencia y otras características
buenas se mejoran disminuyendo la cantidad de
agua por unidad de peso de cemento.
Es la capacidad de mantener su volumen despues del fraguado.
Resistencia a la compresion del mortero.
Mortero = cemento, agua, arena.
Se usan cubos de 2 in. de lado (ASTM C109, C778, C150)
La resistencia a la compresion del mortero es proporcional a la
resistencia del hormigon.
Sin embargo, la resistencia del hormigon no puede predecirse
basado en la resistencia del mortero.
Esto porque la resistencia del hormigon depende de las
caracteristicas de los agregados, la mezcla del hormigon, y el
procedimiento constructivo.
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Relación agua-cemento
Relación agua-cemento (cont)
Porque esto ocurre?
La hidratación requiere apenas 0.22~0.25 kg de agua por kilo de
cemento.
Se debe usar mas agua para que la mezcla sea manejable.
Esta agua en exceso al evaporarse crean vacios capilares.
Los vacios capilares aumentan la porosidad y la permeabilidad del
hormigón y reducen su resistencia.
Una relacion agua-cemento baja tambien aumenta la
resistencia al medio ambiente, provee una buena adhesion
entre capas de hormigón, provee una buena adherencia entre
hormigon y acero y limita los cambios de volumen debido al
secado y humedecido.
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Tipos de cemento
Tipo
I, IA
Nombre
Normal
Aplicaciones
Cuando no se necesitan propiedades
especiales
Mas información?
Portland Cement Association:
http://www.cement.org
II, IIA Resistencia moderada a los
sulfatos
III,
IIIA
Alta resistencia inicial
Construcciones Fast-track, reduccion
del tiempo de curado en climas frios
IV
Bajo calor de hidratacion
Se utiliza en el hormigonado de
grandes volumenes
V
Resistencia alta a los sulfatos
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Agua para la mezcla
Aditivos para el hormigón
Cualquier agua potable puede usarse en la mezcla.
Algunas aguas no-potables también pueden usarse en la mezcla.
El agua de la mezcla no debe tener:
Impurezas:
Disminuyen resistencia, durabilidad, y tiempo de fragüado
Crean eflorescencia
Producen manchas
Corroen el acero
Crean inestabilidad de volumen
Iones de cloruro (acelera la corrosión del acero)
El criterio de aceptación está en la ASTM C94.
Luego de 7 días, los cubos de mortero hechos con el agua cuestionada
deben poseer una resistencia mayor al 90% de la resistencia de los cubos
hechos con agua potable o destilada
El tiempo de fraguado no debe ser una hora menos o 1-1/2 horas más
que la pasta de cemento hecho con agua potable o destilada.
Son ingredientes adicionales (al agua, cemento y
agregados) que se añaden al hormigón para
impartirle una cualidad específica al estado
plástico (fresco) o al endurecido.
Si el aditivo se añade en forma de solución, el
líquido debe considerarse parte del agua de la
mezcla.
La forma de añadirse el aditivo está
recomendada por el fabricante.
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Aditivos para el hormigón (cont)
Incorporadores de aire
Los aditivos se clasifican en:
Incorporadores de aire
Reductores de agua
Retardadores
Controladores de hidratacion
Aceleradores
Aditivos cementicios suplementarios
Aditivos especiales
Las razones para usar aditivos son (PCA)
Producen pequeñas burbujas de aire en el hormigón
endurecido para proveer espacio para que el agua se
expanda al congelarse.
Los beneficios de incorporar aire son:
Reducir el costo de construcción del hormigón
Obtener ciertas propiedades en el hormigón más efectivamente que
por otros medios
Asegurar la calidad del hormigón durante la mezcla, transporte,
fundido y curado, en condiciones climáticas adversas
Enfrentar ciertas emergencias durante las operaciones con el
hormigón
Aumenta la durabilidad (en ciclos de hielo y deshielo)
Aumenta la menejabilidad de la mezcla.
Sin embargo, ellos reducen la resistencia del hormigón.
Los principales incorporadores de aire son:
Sales de resina de madera
Detergentes sintéticos
Sales de lignina sulfonada, etc.
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Antes de entrar el próximo aditivo,
recuerden!
La manejabilidad depende principalmente de la
cantidad de agua.
La resistencia depende principalmente de la
relación agua/cemento (w/c).
El costo depende principalmente de la cantidad
de cemento.
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Reductores de agua
Se usan para minimizar la cantidad de agua necesaria
para la manejabilidad de la mezcla.
Ellos aumentan la mobilidad de las particulas de
cemento en la mezcla.
Teniendo en cuenta las tres variables que son afectadas
[asentamiento, relación agua/cemento y costo], lo que
se puede obtener con un reductor de agua son:
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Añadiendo el reductor de agua aumenta el asentamiento
(mejor manejabilidad)
Añadiendo el reductor de agua, se puede usar menos
agua y por lo tanto aumenta la resistencia
Añadiendo el reductor de agua se puede disminuir la
cantidad de cemento por lo tanto la mezcla es
económica.
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Usos del reductores de agua
(WRA)
28 day strength > A
Workability = B
Superplastificantes
28 day strength > A
+ WRA
- water
Workability = B
28 day strength = A
+ cement
28 day strength = A
Workability = B
- water
- cement
+ WRA
Workability = B
+ cement
+ water
+ WRA
28 day strength = A
28 day strength = A
Workability > B
Workability > B
Se llaman tambien reductores de alto rango.
Aumentan grandemente el flujo del hormigón fresco
o reducen la cantidad de agua necesaria para obtener
una consistencia dada.
Se puede lograr asentamientod de 8-10”. La
reducción de agua varia entre el 12-40%.
Gracias a los superplastificantes se ha podido
conseguir hormigones de alta resistencia.
Con el superplastificante, el tiempo en que la mezcla
es manejable disminuye drásticamente.
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Usos de superplastificantes
¿Cual da más trabajo?
Cuando se necesita una relación w/c baja.
Cuando se funden secciones finas.
Cuando se funde donde hay barras de refuerzo
escasamente espaciadas.
Cuando se funde hormigón bajo el agua.
Cuando se funde utilizando bombas.
Cuando consolidar el hormigón es dificíl
Vaciado de hormigon en losa
(método tradicional)
Vaciado de hormigon en losa con
superplastificante
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Aditivos controladores de
hidratacion
Retardadores
Usos:
Para anular el efecto de altas temperaturas.
Para transportar el hormigón distancias considerables.
Para dar más tiempo a un acabado especial.
Los retardadores reducen la resistencia inicial del
hormigón.
Algunos retardadores incorporan aire y aumentan la
manejabilidad.
Otros retardadores reducen el tiempo entre el
fraguado inicial y final.
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Paran y/o reactivan el proceso de hidratacion.
Tienen dos partes: un estabilizador y un
activador.
Pueden parar la hidratacion por hasta 72 horas.
Son utiles para extender el uso de hormigon
ready-mix (preparado en planta).
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Aceleradores
Se usan para desarrollar la resistencia inicial del
hormigón a una mayor velocidad.
Pero la resistencia final no varia.
Usos:
Aceleradores (cont)
Reducir el tiempo antes que las operaciones de acabado
empiecen.
Reducir el tiempo de curado.
Aumentar la velocidad de ganancia de resistencia.
Sellar pérdidas bajo presión hidráulica.
El más utilizado es el cloruro de calcio (CaCl2).
En algunas condiciones no conviene usar cloruro de
calcio.
Son desperdicios de procesos industriales.
Mejoran propiedades del hormigon y solucionan
el problema de desperdicio.
Pueden usarse en adicion, o como substituto
parcial del cemento.
Los mas usados son:
Fly Ash (Ceniza volante)
Escoria de alto horno.
Silica fume (microsilica)
Pozolanas naturales
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Cemento tipo III
Aumentar el contenido de cemento.
Curar el hormigón a altas temperaturas.
Usar otros aceleradores químicos.
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Fly Ash
Aditivos Cementicios Suplementarios
Hormigón es pretensado.
Hormigón contiene aluminio.
Hormigón está sujeto a reacción alcalí-sílica.
Hormigón está en contacto con agua se suelos que
contienen sulfatos.
Hormigón se funde bajo altas temperaturas.
Applicaciones masivas de hormigón
Alternativas al uso de cloruro de calcio:
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No debe usarse cloruro de calcio cuando:
Es un subproducto del proceso de combustion
de carbon en plantas generadoras de electricidad.
El fly ash es extraido de las camaras de
combustion y se enfria formandose esferas.
La forma esferica aumenta la manejabilidad de la
mezcla.
Extiende el proceso de hidratacion,
consiguiendose mayor resistencia y menor
porosidad.
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Fly Ash (cont)
El menor calor de hidratacion reduce la ganancia
de resistencia inicial, pero permite una ganancia
mas alla de lo que el cemento comun puede
lograr.
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In this photograph, high-fly-ash concrete is
used without a secondary finish.
Escoria de Alto Horno
Subproducto de desperdicio del proceso de
produccion del acero.
Para hidratarse necesita agua y un activador
(NaOH o CaOH), ambos suplidos por el
cemento.
La escoria molida de alto horno se ha usado
como material cementicio desde los 1900s.
Puede substituir entre 30% y 45% del cemento.
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Escoria de Alto Horno
Silica Fume
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Subproducto del proceso de produccion de
metal de silicon o aleaciones de ferrosilicon.
Es un producto puzzolanico muy reactivo.
El hormigon hecho con SF tiene alta resistencia
y es muy durable.
Puede reducir la corrosion causada por la sal.
Es altamente resistente a la penetracion de iones
de cloruro.
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Puzolanas naturales
Silicon metal and alloys are produced in
electric furnaces as shown in this
photograph
Una puzolana es un material que en sí no posee
propiedades cementicias,
Pero finamente partida y en presencia de agua,
reacciona con el hidróxido de calcio para formar
compuestos cementicios.
Han sido usados desde hace 2000 años.
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Una de las más antiguas
construcciones en ceniza volcanica
Ceniza volcanica
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Efectos de aditivos cementicios
suplementarios
Propiedad
Efecto
Requerimiento de
agua
Contenido de aire
Fly ash lo reduce. Silica fume lo aumenta.
Manejabilidad
Fly ash, escoria molida aumentan
manejabilidad. Silica fume lo reduce
Fly ash lo reduce. Silica fume no lo afecta,
excepto con plastificante (lo aumenta)
Fly ash, puzolanas y escoria molida lo
aumentan.
Hidratacion
Tiempo de fraguado
Aditivos especiales
Fly ash y silica fume lo disminuyen
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Agentes de manejabilidad
Inhibidores de corrosión
Agentes selladores
Agentes reductores de permeabilidad
Aditivos fungicidas, germicidas, e insecticidas.
Ayudas de bombeo.
Ayudas para adherencia.
Ayudas para grouting.
Agentes colorantes.
Reductores de encogimiento.
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