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CARRERA: EDIFICACIONES

CURSO: Tecnologa del Concreto

DOCENTE : Ing. Fernando Garnica CubaEL CEMENTO PORTLAND1.- GENERALIDADESEs un aglomerante hidrfilo (absorvente), resultante de la calcinacin de rocas calizas, areniscas y arcillas, de manera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo propiedades resistentes y adherentes.El nombre proviene de la similitud en apariencia y el efecto publicitario que pretendi darle en el ano 1924 Joseph Apsdin un constructor ingls, al patentar un proceso de calcinacin de caliza arcillosa que produca un cemento que al hidratarse adquira segn l, la misma resistencia que la piedra de la isla de Portland cerca del puerto de Dorset, Inglaterra.

Es en 1845 cuando se desarrolla el procedimiento industrial del cemento Portland moderno, que con algunas variantes persiste hasta nuestros das y que consiste en moler rocas calcreas con rocas arcillosas en cierta composicin y someter este polvo a temperaturas sobre los 1300 C producindose lo que se denomina el clinker, constituido por bolas endurecidas de diferentes dimetros, que finalmente se muelen aadindoseles yeso para tener como producto definitivo un polvo sumamente fino.

La primera fbrica de cemento Portland se establece en Francia en 1840, luego en Inglaterra en 1845, en Alemania en 1855, en E.E.U.U. en 1871 y a partir de ah se difunden por todo el mundo. Hacia 1950, la produccin mundial de cemento fue de 250 Megatoneladas, estimndose que para fines del Siglo XX, la produccin ser del orden de 1500 Megatoneladas.2.- COMPOSICIN DEL CEMENTO PORTLANDLos componentes principales de las materias primas para la fabricacin del cemento son:

ComponenteProcedencia

95%

xido de Calcio (CaO)Rocas Calizas

xido de Slice (SiO2)Areniscas

xido de Aluminio (Al2O3)Arcillas

xido de Fierro (Fe2O3)Arcillas, Mineral de Hierro, Pirita

5%xidos de Magnesio, Sodio, Potasio, Titanio, Azufre, Fsforo y MagnesioMinerales Varios

Los porcentajes tpicos en que intervienen los xidos mencionados en el cemento Portland son:

CompuestoPorcentajeAbreviatura

CaO61% - 67%C

SiO220% - 27%S

Al2O34% - 7%A

Fe2O32% - 4%F

SO31% - 3%

MgO1% - 5%

K2O y Na2O0.25% - 1.5%

Luego del proceso de formacin del clinker y molienda final, se obtienen los siguientes compuestos que son los que definen el comportamiento del cemento hidratado y que estableceremos con su formula qumica, abreviatura y nombre corriente:a. Silicato Triclcico: (3CaO.SiO2 --> C3S --> Alita)

Define la resistencia inicial (en la primera semana) y tiene mucha importancia en el calor de hidratacin.

b. Silicato Diclcico: (2CaO.SiO2 --> C2S --> Belita)

Define la resistencia a largo plazo y tiene incidencia menor en el calor de hidratacin.

c. Aluminato Triclcico: (3CaO.Al2O3) --> C3A

Aisladamente no tiene trascendencia en la resistencia, pero con los silicatos condiciona el fraguado violento actuando como catalizador, por lo que es necesario aadir yeso en el proceso (3% - 6%) para controlarlo. Es responsable de la resistencia del cemento a los sulfatos ya que al reaccionar con estos produce Sulfoaluminatos con propiedades expansivas.

d. Alumino-Ferrito Tetracalcico: (4CaO.Al2O3.Fe2O3 --> C4AF --> Celita)

Tiene trascendencia en la velocidad de hidratacin y secundariamente en el calor de hidratacin.

e. xido de Magnesio: (MgO)Pese a ser un componente menor, tiene importancia pues para contenidos mayores del 5% trae problemas de expansin en la pasta hidratada y endurecida.f. xidos de Potasio y Sodio: (K2O.Na2O -->Alcalis)

Tienen importancia para casos especiales de reacciones qumicas con ciertos agregados, y los solubles en agua contribuyen a producir eflorescencias con agregados calcreos.

g. xidos de Manganeso y Titanio : (Mn2O3.TiO2)El primero no tiene significacin especial en las propiedades del cemento, salvo en su coloracin, que tiende a ser marrn si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los contenidos superan el 5% se obtiene disminucin de resistencia a largo plazo.(Ref. No 2)

El segundo influye en la resistencia, reducindola para contenidos superiores a 5%. Para contenidos menores, no tiene mayor trascendencia.De los compuestos mencionados, los silicatos y aluminatos constituyen los componentes mayores habiendo sido establecidos por Le Chatelier en 1887. En 1929 R.H.Bogue define las formulas para el calculo de los componentes del cemento en base a la composicin de xidos y que han sido asumidas como norma por ASTM C-150 permitiendo una aproximacin prctica al comportamiento potencial de cualquier cemento sin mezclas.3.- MECANISMO DE HIDRATACIONSe denomina hidratacin al conjunto de reacciones qumicas entre el agua y los componentes del cemento, que llevan consigo el cambio del estado plstico al endurecido, con las propiedades inherentes a los nuevos productos formados. Los componentes ya mencionados anteriormente, al reaccionar con el agua forman hidrxidos e hidratos de Calcio complejos.

Dependiendo de la temperatura, el tiempo y la relacin entre la cantidad de agua y cemento que reaccionan se pueden definir los siguientes estados:

3.1.- Estado PlsticoUnin del agua y el polvo de cemento formando una pasta moldeable. Cuanto menor es la relacin Agua/Cemento, mayor es la concentracin de partculas de cemento en la pasta compactada y por ende la estructura de los productos de hidratacin es mucho ms resistente.

El primer elemento en reaccionar es el C3A, y posteriormente los silicatos y el C4AF, caracterizndose el proceso por la dispersin de cada grano de cemento en millones de partculas. La accin del yeso contrarresta la velocidad de las reacciones y en este estado se produce lo que se denomina el periodo latente o de reposo en que las reacciones se atenan y dura entre 40 y 120 minutos dependiendo de la temperatura ambiente y el cemento en particular.

3.2.- Fraguado inicial

Condicin de la pasta de cemento en que se aceleran las reacciones qumicas, empieza el endurecimiento y la prdida de la plasticidad, midindose en trminos de la resistencia a deformarse. Es la etapa en que se evidencia el proceso exotrmico donde se genera el denominado calor de hidratacin, que es consecuencia de las reacciones qumicas descritas.

Se forma una estructura porosa llamada gel de Hidratos de Silicatos de Calcio (CHS o Torbemorita), con consistencia coloidal intermedia entre slido y Iquido que va rigidizndose cada vez mas en la medida que se siguen hidratando los silicatos.

Este periodo dura alrededor de tres horas y se producen una serie de reacciones qumicas que van haciendo ms estable con el tiempo al gel CHS. En esta etapa la pasta puede remezclarse sin producirse deformaciones permanentes ni alteraciones en la estructura que aun esta en formacin.

3.3 Fraguado Final

Se obtiene al trmino de la etapa de fraguado inicial, caracterizndose por endurecimiento significativo y deformaciones permanentes. La estructura del gel esta constituida por el ensamble definitivo de sus partculas endurecidas.3.4.- Endurecimiento

Se produce a partir del fraguado final y es el estado en que se mantienen e incrementan con el tiempo las caractersticas resistentes.

La reaccin predominante es la hidratacin permanente de los silicatos de calcio, y en teora continua de manera indefinida.

Es el estado final de la pasta, en que se evidencian totalmente las influencias de la composicin del cemento.

Durante el proceso de hidratacin, el volumen externo de la pasta se mantiene relativamente constante, sin embargo, internamente el volumen de slidos se incrementa constantemente con el tiempo, causando la reduccin permanente de la porosidad, que esta relacionada de manera inversa con la resistencia de la pasta endurecida y en forma directa con la permeabilidad.

Para que se produzca la hidratacin completa se necesita la suficiente cantidad de agua, la temperatura adecuada y tiempo, y de aqu es donde se desprende el concepto fundamental del curado, que consiste en esencia en procurar estos tres elementos para que el proceso se complete.

Un concepto bsico que nos permitir entender el comportamiento del concreto, reside en que el volumen de los productos de hidratacin siempre es menor que la suma de los volmenes de agua y cemento que los originan debido a que por combinacin qumica el volumen de agua disminuye en alrededor de un 25%, lo que trae como consecuencia la contraccin de la pasta endurecida.

Otro concepto importante que hay que tomar en cuenta es que esta demostrado que la relacin Agua/Cemento mnima para que se produzca la hidratacin completa del cemento es del orden de 0.35 a 0.40 en peso dependiendo de cada caso particular. En la Figura N 1, se puede apreciar como ilustracin un esquema tpico de la estructura de la pasta de cemento y de la distribucin del agua.

4.- TIPOS DE CEMENTOS Y SUS APLICACIONESLos Tipos de Cementos Portland que podemos calificar de standard, ya que su fabricacin esta normada por requisitos especficos son:Tipo I

De uso general, donde no se requieren propiedades especiales.Tipo IIDe moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratacin. Para emplearse en estructuras con ambientes agresivos y/o en vaciados masivos.Tipo IIIDesarrollo rpido de resistencia con elevado calor de hidratacin. Para uso en clima fro o en los casos en que se necesita adelantar la puesta en servicio de las estructuras.Tipo IV

De bajo calor de hidratacin. Para concreto masivo.Tipo V

Alta resistencia a los sulfatos. Para ambientes muy agresivos.Cuando a los tres primeros tipos de cemento se les adiciona el sufijo A significa que son cementos a los que se les ha aadido incorporadores de aire en su composicin, manteniendo las propiedades originales.Es interesante destacar los cementos denominados "mezclados o adicionados" dado que algunos de ellos se usan en nuestro medio:Tipo ISCemento al que se ha aadido entre un 25% a 70% de escoria de altos hornos referido al peso total.Tipo ISMCemento al que se ha aadido menos de 25% de escoria de altos hornos referido al peso total.Tipo IPCemento al que se le ha aadido puzolana en un porcentaje que oscila entre el 15% y 40% del peso total.Tipo IPMCemento al que se le ha aadido puzolana en un porcentaje menor de 15% del peso total.Todos estos cementos tienen variantes en que se les aade aire incorporado (sufijo A), se induce resistencia moderada a los sulfatos (sufijo M), o se modera el calor de hidratacin (sufijo H).Las puzolanas son materiales inertes silceos y/o aluminosos, que individualmente tienen propiedades aglomerantes casi nulas, pero que finamente molidas y al reaccionar qumicamente con hidrxidos de Calcio y agua adquieren propiedades aglomerantes. Las puzolanas se obtienen por lo general de arcillas calcinadas, tierras diatomceas, tufos y cenizas volcnicas, y de residuos industriales como cenizas voltiles, ladrillo pulverizado, etc.La particularidad del reemplazar parte del cemento por estos materiales, estriba en cambiar algunas de sus propiedades, como son el aumentar los tiempos de duracin de los estados mencionados anteriormente, retrasar y/o disminuir el desarrollo de resistencia en el tiempo, reducir la permeabilidad, mayor capacidad para retener agua, mayor cohesividad, incremento de los requerimientos de agua para formar la pasta, menor calor de hidratacin y mejor comportamiento frente a la agresividad qumica.Hay que tener muy presente que la variacin de estas propiedades no siempre ser conveniente dependiendo del caso particular, por lo que no se puede tomar a los cementos puzolnicos o la inclusin de puzolana como una panacea, ya que son muy sensibles a las variaciones de temperatura los procesos constructivos y las condiciones de curado.Para fines de diseo de mezclas hay que tener en cuenta que los cementos standard tienen un peso especifico de 3,150 kg/m3 y los cementos puzolnicos son mas livianos con pesos especficos entre 2,850 y 3,000 kg/m3.5.- TIPOS DE CEMENTO QUE SE FABRICAN EN EL PEREn la actualidad se fabrican en el Per los cementos Tipo I, Tipo II, Tipo V, Tipo IP y Tipo IPM.En las Tablas N 3a y 3b se pueden observar caractersticas fsicas y qumicas de los cementos peruanos, suministradas por los fabricantes.Es interesante anotar que en general los cementos nacionales siguen los comportamientos tpicos a largo plazo que es factible esperar de cementos similares fabricados en el extranjero, sin embargo la experiencia en el uso de ellos y la variabilidad que se puede apreciar en las Tablas mostradas nos permite afirmar que las propiedades a corto plazo no siempre mantienen parmetros constantes, por lo que nunca debe confiarse a priori en ellas sin efectuar pruebas de control.Por otro lado, los fabricantes locales tienen mucha experiencia en la elaboracin de cemento, pero ninguno la tiene en la aplicacin prctica de este material en la produccin de concrete dado que muy rara vez recopilan estos datos, por lo que es muy poca la informacin que pueden aportar en ese sentido, y adems, hay usualmente mucha reticencia para suministrar resultados de sus controles de calidad.Como comentario adicional habra que decir que la introduccin de los cementos Puzolnicos y Puzolnicos modificados en nuestro medio ha trado beneficios desde el punto de vista que tienen ventajas referidas a durabilidad, pero estas ventajas no son del todo aprovechadas por cuanto no ha habido la suficiente difusin y labor didctica en cuanto a las consideraciones para su dosificacin lo que trae como consecuencia deficiencias en su utilizacin. En las Fig. 4 a 9, se han graficado las Resistencias vs tiempo para los diferentes cementos nacionales en base a la informacin proporcionada por los fabricantes entre Enero y Abril de 1993.

6.- Condiciones de Control y almacenaje en obra y sus consecuencias.

Lo ya mencionado en relacin a los cementos nacionales nos hace reflexionar en la necesidad de tratar en lo posible de hacer en obra un seguimiento estadstico del tiempo y condiciones de almacenaje, as como de la calidad del cemento que se emplea.Una buena prctica la constituye el ejecutar anlisis qumicos en un laboratorio confiable cada 500 Toneladas de cemento para el caso de obras grandes, y solicitar regularmente a los fabricantes certificados con resultados de su control de calidad. En ningn caso la muestra que se obtenga debe ser menor de 5 Kg.En cuanto a las condiciones de almacenaje, es recomendable limpiar con frecuencia los silos metlicos de deposito sobre todo en climas de humedad relativa alta, pues se produce hidratacin parcial del cemento adherido a las paredes, y que con el uso del silo ocasiona que se desprendan trozos endurecidos y se mezclen con el cemento fresco causando problemas en la uniformidad de la produccin del concreto.

En el caso de cemento en bolsas el concepto es similar en cuanto a protegerlas de la humedad, bien sea aislndolas del suelo o protegindolas en ambientes cerrados.Una manera prctica de evaluar si ha habido hidratacin parcial del cemento almacenado, consiste en tamizar una muestra por la malla No 100, segn la Norma ASTM C-184, pesando el retenido, el cual referido al peso total, nos da un orden de magnitud de la porcin hidratada. El porcentaje retenido sin haber hidratacin oscila usual-mente entre 0 y 0.5 %.Si recordamos los conceptos referidos al mecanismo de hidratacin podemos estimar que si usamos cemento parcialmente hidratado, estaremos sustituyendo en la practica una parte del agregado por cemento endurecido con caractersticas resistentes inciertas y definitivamente inferiores a la de la arena y la piedra, que causara zonas de estructura dbil, cuya trascendencia ser mayor cuanto mayor sea la proporcin de estas partculas.Se puede estimar que el empleo de cemento hidratado en un 30% referido al peso total, con grnulos no mayores de 1/4" trae como consecuencia una reduccin en la resistencia a 28 das del orden del 25%, dependiendo del cemento en particular. Es obvio que porcentajes hidratados mayores con partculas de tamao superior a 1/4" ocasionaran perjuicios ms negativos en la resistencia y durabilidad.Finalmente hay que aclarar que en cuanto al almacenaje, el criterio correcto para evaluar la calidad del cemento no es el tiempo que ha estado almacenado sino las condiciones de hidratacin del cemento al cabo de ese pentodo, por lo que lo aconsejable es tomar las previsiones para evitar o retrasar la hidratacin desde un inicio, en vez de dejar pasar el tiempo sin ninguna precaucin y entrar luego en las complicaciones de evaluar si estar apto o no para usarse.

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