clse cemento
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CEMENTO Ing. Xavier Laos
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OBJETIVOS DE LA SESIN
Describe como se produce el cemento y sus componentes quimicos
Entienden los efectos de los diversos componentes quimicos en el cemento
Describe diversas caractersticas del cemento como vacios y ratio agua cemento
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Cemento Prtland
NTP 334.009
Cemento Hidrulico
Clincker
Prtland
Proviene de la calcinacin de la
materia Prima, caliza s y arcillosas debidamente
dosificada.
Cemento Prtland
Puzolanico
Pulverizacin de Clinker Prtland + Puzonala+ Sulfato
de Calcio
Definiciones
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INTRODUCCIN
El Concreto de Cemento Portland (PCC) es el material manufacturado que ms se usa en la construccin
Se usa en estructuras como: Edificios Puentes Tneles
Represas Fabricas Pavimentos
Componentes Agregados
Agua
Espacio de Vacios
Aditivos
Cemento Portland
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CEMENTO PORTLAND
El cemento es un material inorgnico finamente pulverizado, que al agregarle agua, ya sea slo o mezclado con arena, grava u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecerse incluso bajo el agua
Esta capacidad se da en virtud de reacciones qumicas durante la hidratacin y que una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.
Mezcla
Con agua y arena forma mortero
Con arena y piedras pequeas forma una piedra artificial llamada concreto.
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CEMENTO PORTLAND
Existen diversos tipos de cementos
El cemento Portland fue patentado por Joseph Aspdin en 1824 y debe su nombre a las laderas de caliza en la isla de Portland, Inglaterra
Los ingenieros de materiales que se encargan de la Seleccin, Especificacin y Control de Calidad en proyectos de ingeniera deberan entender:
La produccin
La composicin qumica
Las tasas de hidratacin y
Las propiedades fsicas del cemento portland
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PRODUCCIN DEL CEMENTO PORTLAND
https://www.youtube.com/watch?v=lu14VCP27Kc
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PRODUCCIN DEL CEMENTO PORTLAND
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PRODUCCIN DEL CEMENTO PORTLAND
Son dos ingredientes bsicos: Un material calcreo
Ej. Oxido de calcio como la caliza, tiza o conchas de mar
Un material arcilloso
Ej. Una combinacin de silicio y aluminio que se puede obtener de arcillas, esquistos (mica, clorita, talco, grafito, etc.), cenizas
Estos materiales son 1) Triturados (Chancadora Primaria) y Almacenados en Silos
2) Las materias primas, dosificadas, son pasadas por un triturador
3) Trituradas, se mezclan y se guardan en silos de mezcla
4) Luego se pasa el material por el horno
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PRODUCCIN DEL CEMENTO PORTLAND
El proceso continua En la actualidad las plantas de cemento usan el proceso seco
(antiguamente se usaba el proceso hmedo) El proceso seco tiene un rendimiento mucho mayor que el hmedo
por el uso y reuso del calor de su horno y los humos generados En el horno el calor alcanza los 1400C a 1650C (2500F a 3000F) y a
esta temperatura, el material crudo se convierte en clinker Este clinker es entonces enfriado y luego almacenado.
El clinker entonces Se tritura en un material muy fino Este material se mezcla con yeso en pocas proporciones que ayuda
a regular el tiempo de fraguado El producto final (cemento) se despacha ya sea en bolsas, sper
sacos o tractores El cemento, as, se puede almacenar por un periodo muy largo de
tiempo, siempre que se quede seco
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COMPOSICIN QUMICA DEL CEMENTO PORTLAND Las materias primas como la lima, silica, almina y oxido de fierro
interactan en el horno formando unos compuestos qumicos muy complejos
Este proceso llamado Calcinacin hace que la estructura molecular se reestructure produciendo cuatro compuestos principales: Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8%
Las denominaciones son: C = Oxido de Calcio S = Dixido de Silicio A = Oxido de Aluminio F = Oxido de Hierro
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COMPOSICIN QUMICA DEL CEMENTO PORTLAND Adems de estos componentes principales, tambin se encuentra
en la composicin qumica: Otros compuestos de hierro Compuesto de magnesio, titanio, manganeso, sodio y potasio Yeso para retardar el proceso de endurecimiento Aditivos para conseguir diversos objetivos
Los compuestos activos del cemento son inestables, y en presencia de agua reorganizan su estructura.
El endurecimiento inicial del cemento se produce por la hidratacin del silicato triclcico (C3S), el cual forma una slice (dixido de silicio) hidratada gelatinosa e hidrxido de calcio.
Estas sustancias se cristalizan, uniendo las partculas de arena o piedras siempre presentes en las mezclas de argamasa de cemento para crear una masa dura.
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FINURA DEL CEMENTO PORTLAND
Es una propiedad muy importante del cemento que debe de ser controlada
La hidratacin empieza en la superficie de las partculas de cemento.
Mientras mas finas son las partculas de cemento, mas grande es el rea superficial y mas rpida es la hidratacin
Entonces, cemento con partculas mas finas desarrollan su resistencia mucho mas rpido y tiene un calor de hidratacin mas alto.
Pero si se sobrepasan los limites establecidos, los costos de produccin sern muy altos y puede que la calidad del concreto se afecte
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FINURA DEL CEMENTO PORTLAND
El tamao mximo de partculas es 0.09 mm Entre el 85% y 95% de estas partculas son mas
pequeas que 0.045 mm con un promedio de dimetro igual a 0.01 mm
1 kg de cemento portland tiene aproximadamente 7 trillones de partculas con un rea superficial entre 300 m2 y 400 m2
En estas magnitudes, es mas fcil medir rea superficial
por unidad de peso que depende del tamao de las partculas que medir el numero de partculas en si. Por eso las especificaciones se dan en base al rea superficial por unidad de peso.
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FINURA DEL CEMENTO PORTLAND
Mtodos para medir la finura del cemento portland
ASTM C204 prueba con el aparato de permeabilidad del aire de Blaine
ASTM C115 prueba con el aparato turbodimeter de Wagner
ASTM C430 porcentaje de material pasante la malla granulomtrica de 0.045 mm (No. 325)
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
La hidratacin es la reaccin qumica entre las partculas de cemento y el agua
Las caractersticas de esta reaccin son:
Cambio en la materia
Cambio en el nivel de energa
Tasa / ratio de reaccin
Las reacciones tpicas se pueden ver en la diapositiva siguiente, todas ellas ocurriendo al mismo tiempo
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
La hidratacin se puede dividir en dos mecanismos A travs de solucin Topoquimico
A travs de solucin (al inicio del proceso) Disolucin de compuestos anhdridos en sus
constituyentes Formacin de hidratos en solucin Precipitacin de los hidratos de la solucin
supersaturada
Topoquimico Una reaccin qumica en el estado solido Ocurre en la superficie de las partculas de cemento
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
De los compuestos en el cementos, son los aluminatos los que se hidratan mas rpido que los silicatos y emiten mucha energa
El yeso se usa para reducir la velocidad de reaccin de los aluminatos. Qumicamente esto se realiza por la emisin de iones de sulfato a la reaccin
El balance entre aluminatos y sulfatos determina la tasa de solidificacin. Una solidificacin normal requiere una concentracin
baja de aluminatos y sulfatos, y el cemento es manejable hasta por 45 min
A las 2 o 4 horas la pasta se empieza a solidificarse cuando los cristales reemplazan al agua en los poros
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
Con un exceso de aluminatos y sulfatos La etapa de maniobrabilidad se reduce de 45 min a 10 min.
La solidificacin puede ocurrir en 1 o 2 horas
Si hay muchos aluminatos y pocos sulfatos Se puede dar una solidificacin rpida (quick set, 10 a 45 min)
o una solidificacin instantnea (menos de 10 min)
Si hay pocos aluminatos y muchos sulfatos El yeso se puede recristalizar en los vacios dentro de 10 min,
produciendo una solidificacin instantnea (flash set)
Flash set esta asociada con grandes cantidades de calor y muy pobre resistencia al final.
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
Los silicatos de calcio se combinan con agua para formar C-S-H (calcio-silicato-hidrato)
Los cristales se empiezan a formar despus de unas horas que el agua y el cemento ha sido mezclados y estos pueden formarse continuamente mientras hayan partculas de cemento que no hayan reaccionado y agua.
C-S-H no es un compuesto muy bien definido.
El ratio de calcio a silicato es de 1.5 a 2.0 y el agua que forma parte del compuesto es mas variable aun.
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
De las ecuaciones de la Tabla de Ecuaciones C3S produce 61% C-S-H y 39% hidrxidos de calcio
C2S produce 82% C-S-H y 18% hidrxidos de calcio
C-S-H es lo que le da al concreto su resistencia
Por lo tanto para incrementar su dureza se debe de aumentar la cantidad relativa de C2S Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8%
Mas aun, los hidrxidos de calcio son susceptibles a los ataques por sulfatos y aguas acidas.
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APORTE DE CADA COMPONENTE Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Es el mas importante de los componentes. Determina la velocidad de fraguado. Determina la resistencia inicial del cemento. Contribuye a la resistencia al interperismo. Contribuye a una buena estabilidad de volmen. Libera gran cantidad de calor de hidratacin, equivalente a 120cal/gr. Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Tambien se le conoce como belita. Forma parte del clinker entre 15 a 30%. Contribuye con las resistencias mayores a una semana. Se hidrata y endurece con lentitud. El calor de hidratacin es de 63 cal/gr Su contribucin a la estabilidad de volmen es regular. Contribuye a la resistencia del interperismo
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APORTE DE CADA COMPONENTE
Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Constituye aproximadamente 5 a 10% del clinker. Es el primero en hidratarse o se fragua con mucha rapidez. Tiene mala estabilidad al volumen. Calor de hidratacin equivalente a 207 cal/gr. Escasa resistencia a la accin del ataque a los sulfatos y ataques qumicos. Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8% Reduce la temperatura de formacin del clinker. Rpida velocidad de hidratacin. El calor de hidratacin es de 100 cal/gr (moderado). Influye en el color final del cemento.
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APORTE DE CADA COMPONENTE
Sulfato de Calcio Yeso Reduce la temperatura de formacin del clincker. Rpida velocidad de hidratacin. El calor de hidratacin es equivalente a 100cal/gr (moderado). Influye en el color final de cemento. La estabilidad de volumen es mala. No esta definida su resistencia mecnica.
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
C3S se hidrata mas rpido que el C2S lo que contribuye a la solidificacin rpida final y a la ganancia inicial de resistencia de la pasta de cemento
El ratio de hidratacin se acelera con la presencia de iones de sulfato en la solucin
Entonces, un efecto secundario de aadir yeso al cemento es que se incrementa la tasa de desarrollo de C-S-H
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HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND
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VACIOS EN EL CEMENTO HIDRATADO
Los vacios se forman por la formacin aleatoria de cristales y los diferentes tipos de cristales que se forman
La resistencia, durabilidad y estabilidad volumtrica del concreto estn afectadas sobremanera por estos vacios
Cuatro tipos de vacios Espacio de hidratacin entre capas
Vacios capilares
Aire atrapado
Aire incluido
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VACIOS EN EL CEMENTO HIDRATADO
Espacio de hidratacin entre capas Esto ocurre entre capas de C-S-H
El espacio tiene un grosor de 0.5 nm y 2.5 nm, el cual es muy pequeo para afectar la resistencia
Sin embargo si afecta hasta en un 28% la porosidad de la pasta
Vacios capilares El tamao y cantidad de estos vacios dependen en la
separacin inicial de las partculas de cemento, el cual es controlado por el ratio agua cemento.
Vacios capilares mas grandes que 50 nm disminuye la resistencia e incrementa la permeabilidad
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VACIOS EN EL CEMENTO HIDRATADO
Aire entrampado
Esto se genera durante el mezclado
Estos vacios reducen la resistencia e incrementa la permeabilidad
Aire incluido
Sin embargo, microburbujas pueden incrementar la durabilidad de la pasta de cemento y por lo tanto hay aditivos que se usan para atrapar estas burbujas de aire
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GRAVEDAD ESPECIFICA DEL CEMENTO PORTLAND
Conocer la Gravedad Especfica (S.G. Specific Gravity) es necesario para los clculos para la proporcionalidad de la mezcla
La S.G. del cemento portland sin vacios entre las partculas es aproximadamente 3.15 y se determina segn la prueba ASTM C188
La densidad del cemento en masa (incluyendo vacios entre las partculas) varia considerablemente dependiendo en como se maneje y almacene
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GRAVEDAD ESPECIFICA DEL CEMENTO PORTLAND
Por ejemplo:
El transporte en camin de cemento aumenta la densidad total debido a la constante vibracin del camin y la eliminacin de vacios
Debido a esta variabilidad, el cemento se especifica en peso en vez de volumen
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RATIO AGUA-CEMENTO
En 1918, Abrams encontr que el ratio del peso de agua al peso del cemento (ratio agua-cemento) influencia todas las caractersticas deseadas del concreto
Ley de Abrams Para concretos totalmente compactados hechos con
agregados limpios y apropiados, la resistencia y otras propiedades son mejoradas al reducir el peso de agua por peso unitario de cemento
Ya que ahora existen ms que cemento en el concreto, como la escoria, la puzolana, las cenizas, entre otras, se dice en vez de ratio agua-cemento el termino agua-materiales cementicios.
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LEY DE ABRAMS
w/c can be determined from Abrams law:
where fc = compressive strength in psi (lb/in2)
1 lb/in2 = 0.070307 Kg/cm2
cwcf
/5.14
14000
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RATIO AGUA-CEMENTO
La hidratacin requiere aproximadamente 0.22 kg a 0.25 kg de agua por 1 kg de cemento
No se cuenta el agua que haya sido absorbido por los agregados
Hay agua que es absorbida por las partculas de los agregados, los cuales lo saturan
Hay agua que queda en exceso, que no entra en las partculas y esta agua es la disponible para hidratacin.
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RATIO AGUA-CEMENTO
Las mezclas de concreto generalmente requieren exceso de humedad, mas all del necesario para hidratacin, para mejorar la manejabilidad
Este exceso de agua genera vacios capilares en el concreto y esto incrementa la porosidad y permeabilidad del concreto que reduce la resistencia
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RATIO AGUA-CEMENTO Ratio sube Resistencia Compresin baja Si el Ratio es bajo, esto tambin ayuda a la resistencia a la erosin, provee una buena unin entre las capas sucesivas del concreto y entre el concreto y el acero y limita el cambio de volumen debido a la humedecimiento y el secado Concreto con aire entrampado aumenta la resistencia a la congelacin / derretimiento
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TIPOS DE CEMENTO PORTLAND
Diferentes aplicaciones del concreto requieren cementos de diferentes propiedades
Algunos ejemplos:
Se necesita aplicaciones con bajo calor de hidratacin para controlar el cambio de volumen y las grietas de fragua asociadas con este cambio
Hay concretos expuestos a sulfatos (SO4) que deterioran al PCC. Esto se arregla modificando las composiciones de los C3S, C2S, C3A y C4AF en base a las dosificaciones de las materias primas
Se varia el calor de hidratacin variando la finesa / finura del cemento producido en la ultima molienda
Se clasifica en 5 tipos estndar y otros tipos especiales
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TIPOS STANDARD Clasificacin establecida segn el ASTM C150
Tipo I: Normal
Concreto para trabajo general cuando no se necesitan propiedades especiales. Bueno para pisos, estructuras reforzadas, pavimentos, etc.
Tipo II: Resistencia Moderada a los Sulfatos
Proteccin contra exposiciones moderadas de sulfatos
0.1 0.2% en peso de sulfatos diluidos en agua del suelo o 150-1500 ppm de sulfato en agua de mar.
Se puede indicar su uso con un moderado calor de hidratacin, lo cual lo hace apropiado para su uso en columnas grandes, bloques de tamao grande y paredes de retencin.
El calor de hidratacin moderado ayuda tambin cuando se coloca el material en climas clidos.
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TIPOS STANDARD
Clasificacin establecida segn el ASTM C150
Tipo III: De Alta Resistencia Temprana
Se usa para construccin rpidas donde los encofrados tienen que ser removidos rpidamente o la estructura en si tiene que ser puesta en funcionamiento lo mas pronto posible.
En zonas fras, reduce el tiempo requerido de curado controlado
Tipo IV: Bajo Calor de Hidratacin
Usado cuando se construyen masas de gran tamao, como represas, que requieren que se controle el calor de hidratacin
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TIPOS STANDARD
Clasificacin establecida segn el ASTM C150
Tipo V: De Alta Resistencia a los Sulfatos
Usado cuando el concreto esta expuesta a concentraciones severas de sulfato, ya sea 0.2 2.0% en peso de sulfatos diluidos en agua de suelos o 1500-10800 ppm de sulfato en aguas saladas (de mar)
Tambin hay clases como la IA, IIA y IIIA que son los tipos originales mas agentes de aire entrampado en el cemento que proveen una mayor resistencia al efecto congelamiento/derretimiento. Su uso ha disminuido debido al uso de aditivos en el concreto que tienen el mismo efecto.
La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento.
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TIPOS STANDARD
La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento segn ASTM C150
Del mismo modo, ASTM C150 provee una tabla en donde especifica las cantidades de los 4 componentes bsicos del concreto y el requerimiento de finura para cada tipo.
https://www.youtube.com/watch?v=vCa_lj1TSAE https://www.youtube.com/watch?v=HDrqnzdf9Uc https://www.youtube.com/watch?v=-ixpHOFdBzY
https://www.youtube.com/watch?v=-ixpHOFdBzY
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TIPOS STANDARD
La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento segn ASTM C150
Del mismo modo, ASTM C150 provee una tabla en donde especifica las cantidades de los 4 componentes bsicos del concreto y el requerimiento de finura para cada tipo.
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PROPIEDADES DEL CEMENTO
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PROPIEDADES DEL CEMENTO
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PROPIEDADES DEL CEMENTO
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REQUISITOS
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REQUISITOS
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REQUISITOS
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REQUISITOS OPCIONALES
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COMPARATIVO TIPO I VS MS
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FBRICAS EN EL PAS
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Cementeras
En el Per hay 6 empresas productoras de cementos portland
Cementos Pacasmayo
Cementos Selva
Cementos Andino
Cementos Lima
Cementos Inka
Cementos Yura
Adems hay otras empresas menores y cementos importados (ej. Cemex, Mxico)
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PRODUCCIN EN EL PAS
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Consideraciones del lugar
Tener en cuenta el manejo del calor de hidratacin
En clima clido : Con bajo calor de hidratacin,
ordenando de acuerdo al calor de hidratacin,
de menor a mayor, tenemos:
V, IP, II, IPM, IMs, ICo, I
En clima fro : Utilizar con alto calor de
hidratacin , de menor a mayor tenemos:
I, II, IPM, IMs, ICo, V
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Consideraciones de las condiciones
Ambiente marino: Expuesto al ataque de Cloruros + sulfatos, por lo tanto ordenando los cementos de acuerdo al grado de resistencia a estos iones de mayor a menor tenemos: IP, V, IPM, II, IMs, Ico, I
Suelo con sulfatos : Ordenando los cementos de acuerdo al grado de resistencia a los sulfatos de mayor a menor tenemos: V, IP, II, IPM, IMs, Ico, I
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Consideraciones de Resistencia
En este caso el concepto que prima es de resistencia y calor de hidratacin de la estructura a construir:
Vaciados de gran volumen y poca rea
de disipacin de calor : En este caso es
importante tener en cuenta el calor de hidratacin
Del cemento, entonces ordenando los cementos de ms favorable a menos favorable tenemos:
V, IP, II, IPM, IMs, Ico, I
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Consideraciones de Resistencia
Desencofrado rpido : En este caso es
importante tener en cuenta la ganancia rpida de
la resistencia del concreto, entonces ordenando
Los cementos de ms favorable a menos favorable tenemos:
I, IPM, IMs, ICo, IP, V
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Consideraciones de Resistencia
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FABRICAS