4 CementoComposicion

7/21/2019 4 CementoComposicion

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Dr. Andres Salas Montoya

Departamento de Ingenieria Civil y AgricolaUniversidad Nacional de Colombia

Agosto de 2011

Cemento Portland: Composicin y

Especificaciones

Clnker: roca artificial fabricada a 1450o

C en unhorno


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Las cantidades relativas de cada una de las fases

afectan:

Tiempo de fraguado

Velocidad de adquisicin de resistencias

Resistencia total

Durabilidad

Color

Por esto es importante conocer la composicin del

cemento.

Composicin

Tcnicas de Caracterizacin delCemento Portland

Tecnologia del Concreto


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Seccin delgada clnker pulido (400x)

Microscopaptica

Width of field = 0.31 mm



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Termograma de calorimetra diferencial de barrido de pasta de

cemento a) 15 min. Y b) 24 horas de hidratacin. C= hidrxidode calcio; E= ettringita; G= yeso; y S = singenita (sulfato de

calcio y potasio hidratado)


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ComposicinPotencial

Basada en trabajo de R. H. Bogu

Conociendo composicin analtica cemento

(Anlisis Qumico) se calculan porcentajes de

componentes mineralgicos.

Norma ASTM C150-94 (Portland Cement)


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Potencial por que se asume en cualquier clculo que el cemento es enteramente

cristalino, y que no hay vidrios remanentes en el clinker despus del enfriamiento.

Regulada ASTM C 150/94 (Cemento Portland), para calcular la composicinmineralgica del anlisis qumico.

Ecuaciones basadas en lasproporciones de combinacin de los

xidos en los componentes del

cemento

Cementos con adiciones distintas

al yeso normal de alta pureza, no

se les puede efectuar ningn

clculo potencial.



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CementoPortland,

Composicin

+ impurezas (K, Na, Mg, etc)

La presencia y substitucin

(Na+ por Ca2+) de impurezas

puede llevar al polimorfismo,

huecos estructurales, y mayor

reactividad


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Hidratacin

Reaccin de un componente anhidro con agua

Hidrato

Secuencia de reacciones qumicas individuales

paralelas y sucesivas entre componentes del clinker ,

sulfato clcico y agua cambios qumicos y fsico

mecnicos: Fraguado y Endurecido.

Hidratacin

Dos mecanismos primarios :

Por solucin - disolucin de componentes anhidros en

sus constituyentes inicos, formacin de hidratos en

solucin, y eventual precipitacin debido a su baja

solubilidad.

Hidratacin Topoqumica o de estado solido lasreacciones toman lugar directamente en la superficie de

los componentes del cemento sin ir a la solucin


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PapeldelasFasesprimarias

Componente rol

C3SPrincipal componente C.P.

Desarrolla Altos Calores Hidratacin (120 cal/gr)

Autodesecacin, contraccin hidrulica y trmica

Libera abundante cal (13% de su peso a 28 das) Ca(OH)2.

C2SCalor de hidratacin (62 cal/gr)

Libera poca cal Ca(OH)2 1.18% a 28 das

C3AGran velocidad de hidratacin

Alto calor Hidratacin (320 cal/gr)

Consume parte cal liberada por silicatos

Sensible a sulfatos

C4AFLenta velocidad de Hidratacin

Bajo Calor Hidratacin (100 cal/gr)

Buena durabilidad ataques qumicos


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PapeldelasFasesprimariasComponente rol

C3SHidrata y endurece rpidamente. Responsable del fraguado inicial

y de la mayor contribucin resistente a edades cortas.

C2SHidrata y endurece lentamente. Responsable de la mayor

contribucin resistente a edades superiores a una semana de

curado.

C3ALibera una gran cantidad de calor durante los primeros das de

hidratacin y de endurecimiento. Contribuye ligeramente al

desarrollo de resistencias a plazos cortos. El yeso que se aade

en la molienda del Clnker atena la velocidad de hidratacin del

C3A. Si est en bajas cantidades el cemento ser resistente a

sulfatos contenidos en suelos y aguas

C4

AF Reduce la temperatura de sinterizacin. Hidrata rpidamente peropoco contribuye a las resistencias. La coloracin es debida alC4AF y sus hidratos

ComposicinQumicadelCementoPortland

Componente Frmula Qumica AbreviaturaSilicato triclcico 3CaO.SiO2 SC3

Silicato biclcico 2CaO.SiO2 SC2

Aluminato triclcico 3CaO.Al2O3 AC3

Ferro Aluminato tetraclcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 FAC4

Ferrito Biclcico 2CaO. Fe2O3 FC2

Oxido Clcico (Cal Libre) CaO C

Oxido Magnesico MgO M

Alcalis

-Oxido Sodico

-Oxido Potsico

Na2O

K2O

N

K

Sulfato Clcico

-Dihidrato

-Hemihidrato

-Anhidrita

CaSO4.H2O

CaSO4.1/2 H2O

CaSO4

CSH2

CSH0.5CS


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CaractersticasdeloscompuestosprincipalesdelcementoPortland

Caracterstica 3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 4CaO.Al2O3.Fe2O3

Formula abreviada SC3 SC2 AC3 FAC4

Nombre comn Alita Belita -

Principales impurezas MgO,Al2O3,Fe2O3

MgO, Al2O3,Fe2O3

SiO2, MgO,lcalis

SiO2, MgO

Sistema cristalino Monoclnico Monoclnico ortorrmbico Monoclnico

Velocidad de reaccin conagua

media lenta rpida media

resistencia a edadescortas

Buena Poca Buena Buena

resistencia a edades largasBuena excelente media media

Calor de hidratacin tpico(cal/g)

120

medio

60

bajo

320

elevado

100

medio



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Tipos de Cementos


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Desarrollo Resistente


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Composiciones tpicas de cementos Portland

ASTM C150

Caracterstica TipoASTMC150

Composiciones, % en peso1

SC3 SC2 AC3 FAC4

Ordinario2 I 45 - 55 20 - 30 8 - 12 6 - 10

Moderado calor dehidratacin yModerada resistencia asulfatos

II 40 - 50 25 - 35 5 - 7 6 - 10

Endurecimiento rpido III 50 - 65 15 - 25 8 - 14 6 - 10

Bajo Calor de hidratacin IV 25 50 5 13

Resistente a Sulfatos V 40 - 50 25 - 35 0 - 4 10 - 20

1. Las prdidas porcentuales corresponden a yeso, MgO, Sulfatos alcalinos, etc.2. El tipo I es el ms comn

Mecanismo de retardo del AC3por el

yeso

Cuando el yeso y los lcalis entran en solucin rpidamente, la

solubilidad del AC3 disminuye en presencia de los iones hidroxilos,

lcalis y sulfatos. En soluciones saturadas de calcio e hidrxilo se

produce la cristalizacin de pequeas agujas de etringita (alto-

sulfato) o de monosulfato (bajo-sulfato) en forma de placas

hexagonales delgadas

[AlO4] + 3[SO4]-2 + 6[Ca]+2 + ag. = C6A3H32 (etringita)[AlO4] + [SO4]

-2 + 4[Ca]+2 + ag. = C4AH18 (monosulfato)


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Cantidad de Yeso

Mayor AC3, Mas SO3Mayor Finura, Mas SO3Mayor contenido de lcalis, Mas SO3

Mejora:

Estabilidad Volumtrica

Resistencias

Durabilidad

Colombia Mximo: 3.5% SO3

Excesos producen expansin destructiva

Hidratacin del Cemento

Sales minerales amorfas anhidras e inestables delcemento + agua productos de hidratacinestables e irreversibles.

Cristalinizacin en forma de agujas entrecruzadas.

Se desarrollan microestructuras cambiantes cada vezmas lento, rara vez se completan.

Pasta hidratada microestructuras dependiendo de laetapa de desarrollo


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Componentes cementicios vs tiempo de hidratacin


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Propiedades del cemento Portland

Propiedad descripcin medicin valor

Finura Liberacin de calor. Velocidad de hidratacin:aceleracin de resistencias principalmente a los7 das

Permeabilimetro de aire Blaine (ASTM

C204); retenido en tamiz 45 m, 85 % de

partculas son menores.

> 280 Kg/m2

Sanidad Expansin de volumen de la pasta despus delfraguado. Es causada por cal y magnesia libres

Ensayo de expansin en autoclave (ASTM

C151)

0.8 %

Consistencia Habilidad para fluir Sonda de Vicat

Mesa de Flujo (ASTM C230)

Aprox. 25 %

Tiempo de

Fraguado

Mnimo y Mximo tiempo para rigidizar; tiempos

inicial y final de fraguado, respectivamente)

Aguja de Vicat (ASTM C191) 45


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Finura

Superficie que se ofrece a ser hidratada Gel cemento

Mayor Finura:

Velocidad de hidratacion

Resistencias tempranas

Liberacion de calor

Retraccion termica e hidrulica

Tamaos superiores a 45 difciles de hidratar

Hidratacin 3.5 a 28 das

Tipo III >> Tipo I,II, V > Tipo IV


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Finura del Cemento

Requerimientos para tipos I, II, IV y

V

Mnimo, m2/kg

ASTM C150 280

Mximo, m2/kg

AASHTO M85 400

Finura del Cemento

Granulometra Laser


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Densidad y densidad relativa (gravedad especfica)

del cemento. (g.e. Portland sin adicin = 3.15).

ASTM C188. Frasco de Le Chatelier


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Distribucin tamao de partcula cemento Portland comparada

con finura del ensayo permeabilidad al aire con permeablimetro

Blaine (ASTM C204)

Ensayos en aparato de Vicat para determinar la

consistencia normal (ASTM C187) ylos tiempos de fraguado del cemento (ASTM C191)


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ASTM C 150 Cemento Portland Aguja de Vicat

Fraguado inicial, no menos de (h:min) 0:45

No mas de (h:min) 6:15

ASTM C 595 Cementos Adicionados

Fraguado inicial, no menos de (h:min) 0:45

No mas de (h:min) 7:00


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FalsoFraguado

yFraguado

Relmpago

FalsoFraguado

Perdidadeplasticidadrpidamentedespusdeelmezclado.

PocoCalor

Debidoalhemihidratoenelcemento

Hidratadodelyeso

Trabajabilidadrestauradamezclaadicional

FraguadoInstantneo

Perdidarpida

ytemprana

de

trabajabilidad

.

SignificanteCalor

Debidoalrpidareaccindealuminatos

Cuandohayinsuficientecantidaddesulfato

Trabajabilidadnosepuederestaurar


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ReaccinPuzolnica

En puzolanas alumino-siliceas (ceniza volante y metacaoln) la alumina

tambien participa en reacciones con hidroxido de Ca produciendo

varios aluminatos de calcio hidratados (C-A-H) y silico-aluminatos de

calcio hidratados (C-A-S-H)

Reaccin de la slice de la puzolana con hidrxido de Calcio:

Diferente composicin y

estructura. Propiedades

cementicias y aporta

resistencia y otras

propiedades


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ReaccionesdelosMaterialesCementicios

Suplementariosen

el

Concreto

Contribuyen a las propiedades del concreto de 2 maneras:

Hidraulicamente o puzolanicamente.

Cemento HidrulicoFragua y endurece por reaccin qumica con el agua y escapaz de hacerlo tambin bajo agua.

Ej.: Cemento Portland, Cemento de Escoria, Ceniza Volante clase C.

Puzolana: Material Silceo o silico aluminoso que, finamente dividido y enpresencia de humedad, reacciona qumicamente a temperaturas ordinariascon el hidrxido de calcio formando compuestos que poseen propiedadescementicias.

Ej.: Ceniza Volante clase F, SF, varias Puzolanas Naturales


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CenizaVolante(Fly Ash)


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CaractersticasFsicasdelaCenizaVolante

Las partculas son generalmente esferasslidas con algunas cenosferas (esferashuecas) o plerosferas (contienen esferasmas pequeas) .

Tamao de partcula entre 1 micra y 100micras. Tamao medio de 5 a 20 micras.

Area superficial de 300 a 500 m2/kg.

Gravedad Especifica entre 1.9 a 2.8

Rangos de Color de blanco a gris claro

Densidad compactada entre 1120 a 1500kg/m3

ComposicinQumica

de

la

Ceniza

Volante

ComposicinQumicadependedelafuentedelcarbn

Variacinmasnotableeselcontenidodecalcioquevariadel1%CaOhastamasdel30%.


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ClasificacindelasCenizasVolantes

Clase F:

Producida normalmente de antracita quemada o carbn

bituminoso.. Tiene propiedades puzolanicas

Clase C

Producida normalmente de lignita quemada o carbn

subbituminoso.. Tiene propiedades puzolanicas

EscoriaGranuladadeAltoHorno

Material formado de escoria fundida producida en altoshornos como un subproducto industrial de la produccin dehierro usado en manufactura del acero


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EscoriadeAltoHorno

TransformacinFsica

Paraconvertirescoriadealtohornoenunmaterialcementiciosedebe:

Enfriarrpidamenteconagua

Secarpararemoverelagua

Molerhastapolvofino

nicamentedeestaformafinal,la

escoriagranulada

de

alto

horno

exhibir

suficientedesarrollocementicio.

TempladoesVital

Unicamentesilaescoriaesenfriadarpidamentesevitrificarayformaraunaestructuraamorfaquereaccionaraconaguaparaformarcomponentescementicios.

Escoria

enfriada

lentamente

al

aire

no

exhibircomportamientocementicio.

EscoriadeAltoHorno

TransformacinFsica


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Escoria ProcesodeGranulacin

Laescoriafundidaesenfriadarpidamentedesde1500Ctemplandoconaguaparaformarunaestructuravtrea(granulacin).

Controladamentese

introduce

la

escoria

en

un

gran

volumen

de

agua.

Elproductogranuladotienelaformadearenagruesa.

Escoria CaractersticasFsicas

Elmaterialgranuladosemuele

hastamenosde45micrasusando

molinosdebolasosimilares.

Areasuperficialde400a600m2/kg,

enalgunoscasosmasfino.

GravedadEspecificade2.85a2.95

Forma

de

partcula

es

angular Colorentreblancoygris.


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Escoria ComposicinQumica

Dependedelacomposicindelacargaenelaltohorno.

OxidosdeSi,Ca,Al,MgyFecomponenmasdel95%della

escoria. Composicinvariaentreplantas,peronotantocomolaceniza

volante

ReaccinHidrulicadelasEscorias

Las Escorias no se clasifican como puzolanas. Son Materiales

hidrulicos Latentes.

La escoria hidratar al mezclarse con agua, pero el proceso es muy

lento.

Los materiales hidrulicos latentes requieren la adicin de un

activador (ej. Componentes alcalinos o calizos) que promuevan unahidratacin significante.

Los lcalis presentes en el cemento portland y el hidrxido de calcio

liberado durante su hidratacin son activadores muy efectivos.


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HidratacindelCementoPortlandVsEscorias

EstructurasconEscorias

Uso comercial comienza en

Alemania hace 100 aos.

Usada en la construccin del

metro de Paris ( finales siglo XIX)

cemento=cal+escoria.

Usado en todos los tipos de

concreto en US, comprende entre

2550% del material cementante

o aun 75% o mas para propsitos

especiales.


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HumodeSlice(Silica Fume)Slice no cristalina alta finura

producida en hornos de arcoelctrico como un subproductoindustrial de la produccin demetales silicios y aleaciones ferrosilceas.

Tambin conocida como

Humo de Slice Conde nsado

(Condensed silica fume)

O

Microslice (microsilica)

Disponiblepara

uso

en

concreto:

Comoseproduce

EnSuspensin

Densificadaocompactada

Caractersticas

Fsicas

(Silica Fume)

Partculas forma de esfrica, muy finas

(amorfas)

Muchas de las partculas menos 1 micra.

Tamao promedio 0.1 micras. 1/100 grano

cemento

Area Superficial en el rango de 20,000 m2/kg

(con absorcin Nitrgeno, no blaine). 300700

cemento P., fly ash, slags

Densidad absoluta 130

430 kg/m3

Gravedad especifica 2.202.25 puede llegar a

2.5 (contenido de hierro)

Generalmente negra, puede producirse blanca

para propsitos especiales (contenido de

carbn)


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HumodeSliceCaractersticasFsicas

Debido a su tamao de partculas extremadamentefino y a su baja densidad absoluta muy difcil demanejar .

SF Densificada o Compactada

Partculas finas aglomeradas con aire comprimido ocompactacin mecnica

Densidad absoluta aumenta 500600 kg/m3

Aglomeracin se rompe por accin de corte enmezcladoras concreto y mortero

Disuelta

Disolvente basado en agua 4060% SF en masa

Densidad tpica 13201440 kg/m3

HumodeSliceComposicinQumica

TipodeAleacin ContenidodeSiO2enelSF

98%(metalsilicio) 8798

75%ferrosilicio 8491

50%ferrosilicio 6184

Composicin Qumica dependecomposicin de la aleacin que seproduce.

A medida que el contenido nominal de Sien la aleacin disminuye, tambin sereduce en SF.


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PuzolanasNaturales

Materiales sin procesar o materiales calcinados originados endepsitos Minerales naturales como las cenizas volcnicas

No necesitan mayores procesos

SecadoMolienda.

Ejemplos de Puzolanas Aplicadas

En concreto

Ceniza Volcnica o pumicita

Arcilla Calcinada

MetacaolinTierra Diatomacea

PuzolanasNaturalesProcesamiento

La mayora son materiales procesados

Calentamiento entre 6001100 C

Mineral Arcilloso Estructura desordenada

Amorfa (termoactivacion)

Temperatura es crucial para optimizar lareactividad (puzolnica)

Moler hasta obtener polvo muy fino


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Metacaoln

Tipo especial de arcilla calcinada o termo-activada.

Producida a partir de caoln de alta pureza

Activado trmicamente (650-800C) paramaximizar reactividad.

Procesado para optimizar el tamao departculas y remover impurezas

CascarilladeArroz

Pocas opciones disposicin

Gran volumen de produccin

Baja degradacin en el suelo

Alto contenido de minerales

No sustancias nutritivas

Alberga enfermedades

Quemaacieloabiertooincorporacinalsuelo

Combustiblehornosdesecado,fuentedeenerga.


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CenizadeCascarilladeArroz(RHA)

ProcesodeQuema:

Combustindelacascarilla

100300 C Perdida humedad

330C Combustin componentes Orgnicos Voltiles

460C Combustin lignina celulosa (ceniza 20%)

700 C Cambio de estado de la Slice de amorfa a cristalina

900 C Slice cristalina (tridimita)

700C Cambio estado de la slice amorfa a cristalina

600C Residuos de Carbn

Bien quemada por combustin: 9095% Slice amorfa

Pretratamiento Qumico y combustin: >99% Slice

CaractersticasRHACOMPUESTO W

%

SiO2 94.7

Al2O3 0.59

Fe2O3 1.70

CaO 0.71

MgO 0.34

Na2O 0.20

K2O 0.40

TiO2 0.00

SO3 0.33

Cl 0.20

P2O5 1.15MnO 0.18

Densidad 2.16 Ton/m3

Material soluble en agua 2.46%

Superficie especif ica 1690 m2/g

Composicin qumica tpicaRHA (Rice Husk Ash)

94% slice 6% xidosinorgnicos.


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RHAENCONCRETOS

Produccin de concretos de altodesempeo:

Desempeo resistente

Gran durabilidad

Slice amorfa y alta superficieespecifica (400 600 m2/Kg), altovalor para reemplazo parcial ototal de cemento Portland.

Resistencia a penetracin de cloruros.

Muy buen desempeo ciclos hielodeshielo.

Al ataque por cidos y por sulfatos, a la carbonatacin

NaturalezadelaReaccindeDiferentesMateriales

Cementicios Suplementarios

SF, Ceniza Volante bajo Ca y muchas puzolanas naturales tienen poca o ningunaactividad hidrulica, requieren una fuente de Ca(OH)2 para reaccionar y formar

componentes cementicios.

Al incrementarse contenido de calcio se desarrolla comportamiento hidrulico (ej.ceniza volante alto calcio endurece al mezclarse con agua).

Puzolanicidad decrece incrementa contenido Ca en ceniza volante.Escorias presentan mayor desempeo hidrulico y menor puzolnico.


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LaReaccinPuzolnica

La velocidad de la reaccin puzolnica esta influenciada por diferentes

factores

Las puzolanas finamente divididas de alta superficie especifica

reaccionaran mucho mas rpido.

Composicin vtrea afecta la reactividad - vidrios en ceniza volante

de alto calcio reaccionan mas rpidamente.

La reaccin puzolnica es altamente sensible a la temperatura y ser

mas rpida a temperaturas elevadas.

Vidrio se vuelve mas soluble con pH alto y reacciona masrpidamente.

La velocidad de reaccin se incrementa cuando la concentracin de

lcalis en el sistema se incrementa.

EfectodelosMaterialesCementicios AlternativosenLas

Propiedadesdel

Concreto

Fresco

CenizaVolante

Generalmenteayudaareducirlademandadeaguaenelconcreto.

Mezclascon24%C.V.requieren610%agua.Con50%C.V.elagua

requeridapuedereducirseal1218%

Escoria

Ayuda a reducir el consumo de agua, menos que la C.V.

Puede ayudar a reducir hasta en un 10%.


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EfectodelosMaterialesCementicios AlternativosenLas

PropiedadesdelConcretoFresco

Metacaoln

El uso de arcilla calcinada finamente molida, como el metacaoln, puedeincrementar demanda de agua especialmente cuando se usa en grandes nivelescomo reemplazo. Uso de adiciones qumicas reductoras de agua.

Humo de Slice

Aumenta los requerimientos de agua en la mezcla a medida que aumenta sucontenido.

Porcentajes por encima del 5% requieren el uso de aditivos reductores de agua de

alto rango.

Trabajabilidad

Generalmente el uso de ceniza volante, escorias y varias

puzolanas ayudan a un incremento de la trabajabilidad.

Esto significa que para un asentamiento determinado, el

concreto que contiene estos materiales es fcil de colocar,

consolidar y dar acabado.


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EfectodelosMaterialesCementicios Alternativosenel

Sangrado

La ceniza volante reduce la

probabilidad de sangrado.

La escoria muy gruesa aumenta y

finamente molida disminuye

sangrado.

Metacaoln finamente molido reduce

sangrado

Humo de slice disminuye

drsticamente sangrado.

Resumende

los

Efectos

en

Propiedades

del

Concreto

Fresco


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EfectosenlasPropiedadesMecnicas

Resistencia a Compresin

Ley de Abrams

Para un set dado de materiales, la resistencia del concreto

depende nicamente de la cantidad relativa de agua

comparada con el cemento, a pesar de la mezcla, el tamao

y la gradacin de los agregados.

Duff A. Abrams, 1918, Chicago

EfectoenlaResistencia


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SeleccindeRelacina/cApropiadaPara

ConcretosconAdicionesMinerales

Al reemplazar CP por una adicin mineral la

relacin resistenciaa/cm cambia

dependiendo de:

La naturaleza de la adicin

El nivel de reemplazo

La edad de ensayo, entre otros factores

Ej: La menor resistencia obtenida con una

adicin mineral a cortas edades se puedecompensar diseando la mezcla con una

menor relacion a/cm


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