MGC48_caracteristicas fisicas

ASOCIACION DE PRODUCTORES DE CEMENTO

CARACTERISTICAS FISICAS Y

MECANICAS DEL CEMENTO

M. Gonzáles de la Cotera

Características Físicas Y Mecánicas Del Cemento

RESISTENCIA MECANICA DEL CEMENTO

La resistencia mecánica del cemento es la característica principal que evalúa y aprecia el usuario El cemento al hidratarse con el agua constituye la matriz que asegura la resistencia del esqueleto de agregados que conforman morteros y concretos. La resistencia Intrínseca del. cemento es función creciente del contenido de silicatos cálcicos en el clinker y de la finura de molienda, como parámetros básicos. El incremento de resistencia en el tiempo depende de la relación entre el C3S que genera las resistencias iniciales y el C2S que contribuye posteriormente. en las pastas endurecidas, independientemente de la resistencia propia del cemento, la resistencia se debe al volumen de producto de hidratación que se forman en el espación definido por el cemento y el agua de mezcla. Factor que en cierta medida se expresa en la clásica relación agua / cemento La resistencia de los aglomerados reside en las condiciones de ad herencia pasta-agregado y/o en la resistencia intrínseca de la pasta. Debe recordarse que la resistencia de los agregados excede en mucho la resistencia de la pasta y aquella que normalmente deben asumir los elementos de concreto La resistencia del concreto difiere según el tipo de solicitación que se le impone; por ejemplo, en compresión resiste diez veces más que la tracción. Siendo la resistencia a la compresión la más alta, el concreto tiene una vocación natural para cumplir este régimen de trabajo; reforzándose con barras de acero que asumen las tensiones de tracción o sometiéndose a un estado de coacción previa que compensa la tracción. Por otra parte, la resistencia de compresión constituye un índice general de calidad, pues guarda correlación con el módulo de elasticidad y es un eficiente indicador de durabilidad. De los ensayos de resistencia Al iniciarse los ensayos de cemento las pruebas de resistencia se efectuaron por flexión Posteriormente el ensayo más característico fue el de tracción especialmente en los Estados Unidos donde fue vigente hasta 1940, estableciéndose luego el ensayo de compresión. En la actualidad el ensayo de compresión es generalmente adoptado como criterio de aceptación. Es evidente, que los resultados de ensayo de compresión son de interés pues el concreto se aprecia por su resistencia a la compresión. Especialmente, cuando las normas de ensayo han incorporado morteros plásticos con resistencias comparables a las obtenidas en concreto. Sin embargo, la resistencia a la tracción del cemento es un índice de la posibilidad de figuración. Además si consideramos que la rotura de compresión se produce por separación del material la resistencia a la tracción del cemento tiene un rol importante. Parecería ser, que las dificultades propias de los métodos de ensayos de tracción han llevado a que se abandone su especificación en las normas.

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La resistencia del concreto La resistencia del concreto ha seguido una progresión creciente, conforme el desarrollo de la construcción. Si revisamos los códigos de los Estados Unidos, en los primeros de ellos constatamos que la resistencia máxima de compresión del concreto llegaba a 2000 psi (140 Kg/cm2). En 1928 ascendió a 3000 psi (210 Kg/cm2.), en 19.47 a 3750 psi (270 Kg/cm2.), incrementándose nuevamente en 1956 en 4000 psi (280 Kg/cm2 y pasando en 1963 a 5000 psi (350 Kg/cm2.). La mínima resistencia especificada en la actualidad es de 2500 psi (176 Kg/cm2.). En el caso de los concretos pretensazos, la resistencia requerida por las regulaciones americanas es de 7000 psi (492 Kg/cm2.). Debe estimarse, que el concreto de calidad 5000 psi, al diseñar teniendo en cuenta la resistencia característica, el valor resistencia llegará en la práctica a 5900 psi (415 Kg/cm2.). Las especificaciones del ASTM para la resistencia de los cementos no han guardado similar ritmo de incremento. En la década. del 40 en que se implanta la norma de ensayo de compresión, su valor es de 210 Kg/cm2 pasando luego a estabilizarse en 276 Kg/cm2. En la normalización internacional se constata que las resistencias de los cementos han progresado de minera incesante, tal como se aprecia en el cuadro que indica la situación de los nueve países de mayor producción, entre los años 1955 y 1980. Por otra parte, a los cementos de alta resistencia inicial, se agregan hoy en día en numerosas especificaciones los denominados

INCREMENTO DE PESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CEMENTO NORMALIZADO PRINCIPALES PAISES PRODUCTORES

CEMBUREAU Evaluación 1955 Evaluación 1980 Resistencia Min. Máx. Mín. Máx. URSS 200 600 400 600 Japón - 200 - 300 China 200 600 425 625 USA - 211 - 275 Italia - 500 225 525 España 280 450 350 550 Alemania 225 425 350 450 Francia 250 315 450 650 Brasil - 250 250 400 de superarla resistencia Inicial. Edad que caracteriza la resistencia Muchas normas modernas califican la resistencia del cemento a los dos y tres días de edad, otras incluyen una valoración a los siete días, representando hasta una tendencia. Desde el punto de vista de la evaluación del cemento la posición descrita es razonable. Sin embargo, si consideramos que las especificaciones y reglamentos de concreto armado asumen como resistencia del concreto la que corresponde a los 28 días se advierte un divorcio de criterios. Mas aún, si el constructor desea conocer cual es la ganancia de resistencia que el cemento ofrece entre los 7 y 28 días la resistencia estadística

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las nuevas normas de recepción de cemento establecen la aprecia ción de la calidad resistente por métodos probabilisticos. como bien se sabe la distribución estadística de los resultados de ensayos de compresión corresponde a la ley de Gaus. Sin embargo, desde un punto de vista riguroso es conveniente precisar que dos parámetros básicos: la medía y la desviación no son conocidas con exactitud, en cuanto son valores que son más confiables conforme aumenta el número de las pruebas consideradas. El problema consiste en calcular un nivel de resistencia; Rc en función de "n" resultados de ensayo que aseguren con un limite da confianza - que existe la probabilidad 0 de que todos los resulta dos sean superiores a dicho nivel. La expresión para dicho cálculo es

Rc = x - t.s obteniéndose el valor de t de la distribución de Studen, en función de la selección de y 0. Los parámetros considerados tienen el siguiente significado: 0 corresponde al coeficiente de probabilidad para que en una curva de Gaus determinada, un resultado de ensayo, tomado al azar sea superior al límite - es el limite de confianza, es decir la probabilidad de que entre todas las curvas de Gaus posibles se encuentre m porcentaje - de nivel superior al Rc determinado por la relación expuesta. como el valor de t es inversamente proporcional al número de en sayos, resulta evidente el interés de multiplicar el número de medidas De acuerdo a la norma, el registro de calidad deberá representar un cemento de la misma fuente que el cemento por ensayar y se basará en datos de no más de dos años de edad. Se deberá disponer de resultados de ensayos de no menos de 40 muestras que representen no menos de 7 lotes de cemento La Resistencia A Compresión De las normas Del análisis de la normalización internacional, que ha efectuado el CEMBUREAU para el periodo 1968-80, se observa que en materia de métodos de ensayo de cemento se presenta un nucleamiento alrededor de las normas ISO, ASTM y BS, debido a los nuevos países que las adoptan en África (7) y América (11). La norma ASTM pasa de 3 países a 16, por la presencia de países influenciados por la tecnología americana. Ia Norma Británica de 5 á 13 piases; producto de la descolonización y la regulación ISO de 10 a 29 países, la mayoría de ellos europeos. Esta tendencia ha hecho desaparecer en la práctica los morteros secos de relación a/c 0.30, en beneficio de los morteros plásticos de relaciones a/c entre 0.4 y 0.6 que como se sabe brindan mejor correspondencia con la resistencia a la compresión del concreto. La tabla siguiente expresa esta situación:

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Monteros

Secos ISO BS ASTM Otros TOTAL

1968 14 (32%) 10 (23%) 5 (11%) 3 (0.7%) 12 (27%) 44 (100) 1980 2 (3%) 29 (43%) 13 (19%) 13 (19%) 8 (12%) 66 (100) La diferencia esencial entre normas se establece en el cuadro comparativo ASTM, ISO, BS. Las normas ISO y ASTM Los métodos de ensayo a la compresión de los cementos, determinan

PAIS USA GRAN BRETAÑA ISO Norma ASTM

C-109-77 B.S.4550 (1) Part. 3:1978

ISO R 679 (2)

Cemento / arena 1/275 1/3 1/3 a/c 0.485 0.40 0.50 Arena tipo Ottawa Leughton

Buzaard Nativa; Silicosa

Dimensiones granulométricas

0.15/0.60 0.09/2.36 0.08/2.00

Probetas (cm.) 5 x 5 x 5 7 x 7x 7 4 x 4x 16 Consolidación Manual

(picado) Tabla vibrante

Tabla de sacudidas

Naturaleza de tensiones

compresión compresión Compresión sobre Porciones del Prisma roto en flexión

(1) B.S, tiene norma alternativa para prueba en mezcla de concreto. (2) Se encuentra en suspenso desde el 1º de enero de 1980. las resistencias en morteros, no presentan diferencias sustanciales en la forma de aplicar las solicitaciones ni en la geometría de las probetas, la variación se da en el volumen de las mismas. los especimenes según la norma ASTM, son cubos de 2 pulg. de arista. El método ISO somete a prueba los trozos resultantes del ensayo de flexotracción de 4 x 4 x 16 cms. El análisis teórico de la incidencia del volumen de los especimenes en los resultados de en sayos de compresión indica que la disminución de volumen lleva a un incremento de la resistencia. Sin embargo, como quiera en los ensayos actúan otros parámetros de mayor significación, granulame tría de la arena, relación agua-cemento, energía de consolidación, el factor volumen no tiene intervención principal en la diferencia de valores resistentes. El método de ensayo ISO utiliza un mortero de razón 1:3, en peso, con características similares al concreto; la arena es de granulometría continua, formada por una mezcla de iguales proporciones de fracción fina (o - 0,5 mm.), media (0,5 - 1,0 mm.) y gruesa (1,0 - 2,0 mm.) La consistencia del mortero es plástica y la relación agua / cemento es constante e igual a 0,5 . El mezclado es a máquina, la compactación de carácter mecánico es moderada. Los ensayos se realizan sobre probetas prismáticas de 4 x 4 x 16 cm. Ia tracción se determina por flexión con carga centrada y luz de 107 mm. La compresión se mide sobre los dos trozos resultantes del ensayo de flexo-tracción. La norma ASTM C-109, usa un mortero plástico de consistencia fija, determinada por ensayo en la mesa de sacudidas. Debe emplear arena de Otawa que tiene como característica ser redondeada de cuarzo fina y de granulometría poco extendida. El mortero es de proporción

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1.2,75 y la razón agua/ cemento promedio es del orden de 0,32. El mezclado es mecanizado y la compactación manual. los moldes son cúbicos de 2" de arista. El método ASTM es usado en norte y Centroamérica en la mayoría de los países de Sudamérica. En el Perú constituye el procedimiento de evaluación de los cementos generalmente aceptado. El método ISO presenta ventajas, entre las que podemos enumerar las siguientes: - la determinación de la resistencia a la tracción por un procedimiento racional. - correlación entre las resistencias de tracción y compresión. - Economía de material y especimenes para las pruebas de resistencia. - El empleo de una arena de carácter universal, que puede ser fabricada en cualquier país. - Relación agua / cemento constante. - mortero de consistencia plástica, que asegura el moldeo. - Método de consolidación mecánico, que elimina la dispersión debida al operador. LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN La nueva generación de normas ha dejado obsoleta la determinación de la resistencia a la tracción por la prueba tradicional de probeta 8. En su reemplazo, un número de países especifican la prueba de flexo-tracción Sin embargo, esta forma la resistencia a la tracción del cemento mantiene su importancia como indicador válido de su capacidad para soportar esfuerzos mecánicos y de su aptitud a la fisuración las razones expuestas nos llevan a realizar un breve análisis de los diferentes procedimientos de ensayo, que pueden utilizarse para la investigación o el control del comportamiento de las pastas de cemento endurecidos. las razones expuestas nos llevan a realizar un breve análisis de los diferentes procedimientos de ensayo, que pueden utilizarse para la investigación o el control del comportamiento de las pastas de cemento endurecidos. los métodos de ensayo más utilizados son los siguientes: - Tracción directa, en especimenes tipo "8". - Tracción por compresión diametral de cilindros - Tracción por fuerza centrífuga aplicada a primas. - Tracción por la aplicación de una presión interior sobre anillo. - Tracción por flexión Tradicionalmente se ha determinado la resistencia de los cementos sobre especimenes tipo "S". por indicarlo así la generalidad de las normas. El ensayo consiste en someter a tracción especimenes en forma de ocho, sujetos por amarras en la zona ensanchada, donde se producen tensiones de compresión y corte, de manera que la rotura se verifique por tracción en la sección reducida. Esta prueba presenta sin embargo, nichos inconvenientes que fueran advertidos desde su introducción En el año de 1895, el investigador francés M. Durand-Claye publico en Annales des Ponts et Chausses, un estudio analítico de la repartición de tensiones en la briqueta de tracción, llegando a establecer el reparto de tensiones en la sección reducida, tal como se aprecia en el gráfico. la ley de distribución de la fuerza sobre la sección reducida se acerca bastante a la de una parábola, con el siguiente valor para la fuerza media sobre la sección.

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En la fórmula anterior P es la fuerza total de la briqueta, S el área de la sección. En el caso de la briqueta de tipo europeo y americana, los valores de R de la ecuación son respectivamente iguales a 2.04 y 2.12, y ro los valores de la fuerza máxima serán 1.52r y 1.54r. En el año 19131 E.G. Coker publicó en el Proc. international Assoc. Form. Testing Material un estudio de la probeta de cemento usada para los ensayos de tracción, analizándola bajo el aspecto de una pieza extendida con un cambio brusco te sección, llegando a la conclusión que la tensión máximo se produce en los puntos extremos y su valor es 1.75 veces la media en sección. Para propiciar la rotura en la sección delgada es conveniente reducirla convenientemente mediante curvas suaves y darle a la probeta una longitud tal que la permita alejarse de los planos ¿te apoyo para de esta manera obtener una distribución uniforme de los esfuerzos. La superficie de apoyo o contacto de los clips con la maestro, no debe ser reducida y entre ellos tampoco han de formar un ángulo lo suficientemente grande para impedir que se genere en los puntos de contacto fuerzas de compresión Es sumamente importante que los clips de agarre se encuentren en una posición central exacta. Ensayos realizados hace muchos años en el Instituto Tecnológico de Massachusetts han demostrado que por desplazamiento de 1/16" disminuía la fuerza de tensión en un 15 6 20% El ensayo de tracción por compresión diametral El ensayo de tracción por compresión diametral utilizado inicialmente para determinar la resistencia del concreto se ha empleado también como ensayo normal en la evaluación de la resistencia a la tracción del cemento. Como bien se sabe, el estudio de la distribución de tensiones en una placa circular bajo la acción de dos fuerzas diametralmente o puestas distribuidas a lo largo de dos generatrices situadas en un mismo plano diametral (estado plano de deformaciones) ha sido estudiada originalmente por Hertz y Tinoshenko. Se puede obtener las tensiones en un punto cualquiera, por la suma de las tensiones producidas por una fuerza que actúa sobro m semiplano, radiando alrededor de los puntos de aplicación de dos fuerzas de compresión diametrales, o contorno circular y distribuidas uniformemente Estas últimas tensiones tienen como valor:

Siendo: F = la fuerza total de compresión D = el diámetro

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L = la longitud del cilindro como resultado de tal demostración a todo lo largo del plano diametral donde están situadas las generatrices sobre las cuales actúa la compresión las tensiones normales de tracción son distribuidas uniformemente e iguales a:

En un punto cualquiera de dicho plano diametral a otra tensión principal es una tensión de compresión que tiene como valor:

Esta tensión aumenta a partir del centro donde ella tiene como valor:

y a medida que se realiza la aproximación de las generatrices de contacto ella tiene el valor,

En realidad el contacto no se realiza a lo largo de una generatriz, hay una banda de contacto con los platos de la máquina de ensayo de ancho a, aquí resulta una perturbación local y el valor máximo de la tensión principal de compresión es:

En cuanto a la tensión principal 1 ella decrece en la vecindad de la banda de contacto y resulta nula y cambia de signo transformándose en una tensión de compresión Como el ancho de la banda de contacto es muy pequeña, se verifica, que a lo largo de casi toda la superficie del plano diametral las tensiones normales de tracción son uniformemente distribuidas y tienen el valor:

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Estos valores son válidos hasta el momento de la ruptura, si bien entonces no se encuentra en el dominio de la teoría de elasticidad. En efecto, la distribución de tensiones es desde el comienzo uniforme y las tensiones de compresión en el momento de la ruptura son muy pequeñas (a excepción del inmediato de la banda de contacto). se ha explicado que la teoría de ruptura que expresa más acertada mente el comportamiento del cilindro de mortero bajo compresión diametral, es la de la más grande tracción principal y la de frotamiento interno. En verdad, existe un dominio en el cual pase a la existencia de una tensión principal de compresión la rotura se produce por separación, según un plano normal a la tensión principal de tracción, en el momento que éste alcanza el valor de la resistencia intrínseca del material. Cabe precisar que la resistencia a la tracción del concreto es generalmente cinco veces menor que la de compresión. Entre los investigadores que han tratado acuciosamente de este en sayo, se encuentran Wright, Simon, Peltier, Azakawa, Zegler, Thau low, Narrow y ullberg. se han propuesto determinadas relaciones. Entre ellas podemos confirmar la de Lobo Carneiro entre las resistencias de tracción y compresión

Narrow y Ullberg han encontrado coeficiente de proporcionalidad entre el ensayo brasilero y el ensayo de tracción según la curva de la figura.adjunta. Azakawa, ha introducido un nuevo parámetro, el factor agua-cemento con una relación:

Siendo x, el factor agua-cemento. Ensayo de tracción por fuerza centrífuga Para determinar la resistencia a la tracción de los cementos, se ha desarrollado una máquina que utiliza la acción de la fuerza centrífuga. Consiste en un rotor metálico cm un alveolo de sentido diametral donde se coloca una probeta prismática. Por una velocidad creciente el prisma se encuentra solicitado por fuerzas iguales y opuestas. A determinada velocidad se rampe en partes iguales (con ruido). Para determinar el valor de la fuerza actuante es suficiente leer el número de vueltas por minuto que ha producido la rotura, en el tacómetro de la máquina y conociendo el peso de la probeta se deduce su resistencia. El procedimiento se basa en que si "a" es la densidad del mortero, un elemento diferencial dx dy en el plano de rotación está sujeto a un esfuerzo centrífugo unitario.

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cuyas proyecciones, sobre los ejes coordenados son:

realizando el cálculo de la tensión de tracción en la sección central del espécimen se obtiene:

Siendo: P = el peso del espécimen, en grs. N = velocidad de rotación en vueltas por minuto La probeta se encuentra libre dentro del alveolo y la tensión de tracción debida a la componente de la fuerza centrifuga perpendicular al eje de la probeta puede no considerarse por que es pequeño, razón por la cual el campo de tensiones es uniforme en la sección media. Como la rotura se presenta en el medio de la probeta, es posible efectuar dos ensayos de compresión posteriormente Ensayo de tracción par el método del anillo Este método de ensayo para determinar la resistencia a la tracción de los cementos, consiste en ramper un anillo de pasta pura por una presión interior uniforme Los anillos utilizados son similares a los de la prueba de fisura cien. Sus dimensiones son las siguientes: - Diámetro interior 2a = 9 cms. - - Diámetro exterior 2b = 12.7 cms. - - Altura h = 4 cms. El principio del ensayo es el siguiente. Si consideramos un anillo cilíndrico sometido a una presión interior p uniformemente repartida, según la Fig. 1, a una distancia r del eje, la tensión tangencial y radial, que por razón de simetría dependen de r serán:

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Se observa que la tensión tangencial será siempre una tensión de tracción, mientras que la tensión radial es de compresión La tracción es máxima en la superficie interior (r = a) y mínima que la superficie exterior (r =b). Estos valores extremos son los siguientes:

La tensión de compresión radial es igual a p en la superficie interior y se anula en la superficie exterior. Tomando los valores de los diámetros interior y exterior, definidos inicialmente, las ecuaciones expuestas toman la siguiente forma:

La distribución de las tensiones según el espesor del anilla se puede apreciar en la figura 2. Admitiendo la teoría de la tensión máxima, es posible considerar como valor de la resistencia a la tracción, el de la tensión de tracción máxima en la superficie. interior:

que corresponde a la presión interior p que provoca la rotura. Todo lo anterior es admisible en cuanto la distribución de tensiones de tracción según se expresa en la figura, se mantiene más allá del dominio elástico hasta la ruptura. En efecto, como las tensiones tangenciales son tensiones de tracción en todo el es pesor del anillo, su distribución no difiere en mucho de una distribución uniforme, a la vez que el material tiene diminuta deformación plástica bajo cargas instantáneas de tracción. En favor de este método se encuentra el sistema de cargas que es sencillo y fácil de determinar. La no existencia de problemas de centrado y rozamiento y el hecho de que la presión es uniforme.

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El procedimiento operatorio consiste en confinar el área sometida a la presión mediante anillo. La presión se efectúa utilizando una botella de aire comprimido que expande una bolsa de caucho en el interior. Un manómetro determina la presión ejercida. Ensayo de tracción por flexión Uno de los primeros ensayos para establecer la resistencia mecánica de los cementos fue el ensayo de flexión. como quiera que las resistencias a la tracción de este material son muy inferiores a las de compresión, la rotura se debe a una solicitación de tracción Parece que fue Vicat, el primero en especificar este tipo de prueba. la comisión que estudió en Francia en 1914 los métodos de ensayo del cemento, recomendó este tipo de ensayo; aduciendo la facilidad de definir los especimenes por dos cifras (longitud y arista de la sección), la buena disposición de los especimenes la débil carga de la rotura así como la economía para realizar los aparatos de ensayo. Asimismo, la aplicación de las cargas mediante cuchillas en lugar de los difíciles elementos de sujeción empleados en los ensayos de tracción. Cuando sobre un espécimen prismática se ejercen fuerzas de manera de inducir esfuerzos de compresión sobre una parte de la sección transversal y esfuerzo de tracción sobre la parte restante, se considera que el elemento está sometido a flexión Para evitar esfuerzos por corte o torsión, es necesario que las cargas se apliquen en un plano de simetría y que las deflexiones sean paralelas al plano de las cargas. En la ilustración de la figura, la viga sometida a carga transversal, el efecto flector en una sección cualquiera se expresa como el momento M, el cual es la suma de los momentos de todas las fuerzas que actúan en uno de los lados de la sección. Para que exista equilibrio la resultante de las fuerzas de tracción T debe ser igual. a la resultante de las fuerzas de compresión C. La resultante de los esfuerzos de flexión en cualquier sección forman un par de igual magnitud que el momento flector. las variaciones del corte transversal total y del momento flector a lo largo de una viga son comúnmente representadas por diagramas de corte y de momento, los cuales se ilustran para casos típicos de carga concentrada. Debe señalarse que la carga simétrica en dos puntos arroja una condición de flexión pura (momento constante) sobre la porción central. de la luz. En una sección trasver sal de la viga, la línea a lo largo de la cual los esfuerzos son nulos se llama “eje neutro”. Por lo expuesto, conforme- se deduce del gráfico correspondiente a los diagramas de momentos y corte, deberá obtenerse resultados más representativos, aplicando cargas en los tercios ¿lo la luz a diferencia de la carga centrada, que determina una sección predeterminada de rotura. La rotura de los especimenes de cemento ocurre de manera súbita cuando la tensión de tracción sobrepasa la capacidad resistente del material a esta solicitación. Como bien se sabe, el cemento resiste varias veces en compresión la resistencia propia de tracción

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FRAGUA De la fragua Se denomina fraguado del cemento al cambio de la pasta del estado plástico al estado rígido (1). Este fenómeno es importante en la utilización del cemento, pues el concreto es un material moldeable que al perder plasticidad se fisura en estado fresco, rotura que afecta seriamente la resistencia final. En la práctica la determinación de la fragua es empírica, su más conveniente régimen se guía por La experiencia y su normalización se relaciona con los procedimientos de trabajo del concreto. La fragua del cemento La regulación de la velocidad de fraguado en todos los cementos, puede obtenerse con éxito mediante del ion sulfato, generalmente bajo la forra de yeso. Su acción re- manifiesta al formar con el C3A al inicio de la hidratación la denominada etringita un trisulfo: aluminato que se transforma posteriormente en un monosulfoaluminato, que forma un ecrán semipermeable, que impide por un lapso la creación de productos de hidratación Este período "latente" termina cuando la presión osmótica interna rompe la membrana y se desarrolla la hidratación de los silicatos. En este estado, el agua penetra los gránulos del cemento hidrolisa los constituyentes anhidros, difunde y sirve de vehículo a los iones hasta la precipitación, como hidratos estables en los intercisios granulares inicialmente cubiertos por el agua. Esta pseudo cristalizaci6n se efectúa con elementos muy pequeños (1) Definiciones tecnológicas y no reológicas medidos en Amstrongs, en una masa porosa, donde se estructuran en forma de agujas y plaquetas, con numerosos puntos de contacto que aseguran la cohesión y dan la resistencia a la deformación que re presenta el fraguado. Sobre el inicio y fin de fraguado La determinación de las condiciones de la fragua del cemento tradicionalmente se realiza en dos etapas, que corresponde a lo que se denomina el inicio y el fin de la fragua. Estos términos parecen indicar una discontinuidad marcada en el proceso, lo que no corresponde a la realidad. En efecto, si bien los compuestos del cemento tienen diferente velocidad de reacción con el agua, de ' manera secuencial así C3A C4AF > C3S > C2S, no es causa de discontinuidad, pues los gránulos de cemento tienen una amplia distribución granulométrica que compensa todo cambio brusco. Debe entenderse que la fracción de cemento activa en la fragua se encuentra comprendida principalmente entre los 5 y 30 micrones pues, los gránulos más pequeños estarán hidratados por meteorización y los más gruesos participan lentamente en el endurecimiento La acción del yeso permite que el cemento presente una fragua entre límites estrechos, dándole seguridad al usuario. Por otra par te, en relación con los requerimientos de la producción y colocación del concreto, es posible modificar el régimen de la fragua mediante la adición de retardadores y aceleradores normalizados, de amplia difusión en el mercado.

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De los ensayos de fragua las primeras _pruebas sobre la fragua se realizaron en los traba jos de Vicat, en el siglo pasado, midiendo la penetración de una aguja de 1 m. de diámetro de sección, bajo una carga de 300 grs. en una pasta de cemento. Este procedimiento permanece inalterable en la gran mayoría de normas. El ensayo de Vícat, constituye una determinación de resistencia al corte, apropiado para determinar la viscosidad de la pasta de cemento. Es así aplicable la fórmula de Metrot, apropiada a los fluidos viscosos.

P = carga aplicada(en grs.) g = aceleración de la gravedad (981 cm/g2.) h = penetración de la sonda (cm.) R = radio de la sonda. En el caso de la aguja de Vicat.

y los valores de los periodos normalizados inicio de fragua = 200.000 dynas/cm2. Fin de fragua = 106 dynas/cm2. Factores que afectan la fragua del cemento El compartimiento de fragua se determina por los siguientes factores: Intrínsecos: - Contenido de aluminato tricálcico - Tipo y cantidad de yeso agregado - Contenido de álcalis De. la prueba: - Dosaje de agua - Intensidad de la mezcla - Temperatura del agua y de los materiales. Medio de conservación

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Para eliminar los últimos factores, se requiere cumplir celosamente las especificaciones del- ensayo. Métodos de ensayo alternativos El proceso del fraguado va acompañado con cambios en el comportamiento de la pasta. Se comprueba un rápido aumento de la temperatura de hidratación que coincide con el inicio de la fragua y llega a máximo al final de la misma, además la conductividad eléctrica disminuye y la ve locidad de propagación del sonido se incrementa; fenómenos que están en relación con la modificación de estado del agua y el incremento de la fase sólida. Utilizando estas propiedades se han propuesto métodos alternativos para determinar el fraguado de los cementos, que enumeramos al pie. Sin embargo, el método de Vicat desarrollado en 1820 y la expresión de resistencia al corte, permanece vigente en todas las normas de cemento Los procedimientos de ensayo se basan en lo siguiente: - Variación de resistencia eléctrica o la impidencia del medio corrientes de 50 á 1000 Hz. - Cambios de la admitancia es decir lo inverso a la propiedad anterior, empleando

corrientes de alta frecuencia, de 20 á 30 M Hz. considerando la pasta como un sistema en paralelo resistencia condensador

- Efectos voltaicos, que permiten medir la tensión obtenida entre diversos electrodos,

siendo el más común el Cu-Pb. - Variación de la volociclad de propagación de ondas ultrasónicas en la pasta. De la exactitud y precisión Conviene recordar, que si bien no es fuente de discrepancias las variaciones de ensayos do fragua entre, laboratorios, dada la amplitud admisible en el de fragua, los errores se deben a causas fácilmente detestables. Ellas son principalmente: - las variaciones de temperatura del agua de mezcla y conservación - La heterogeneidad de la pasta, la exudación, el contenido de aire, etc. - La calidad de la superficie de la pasta, luego del enrasado del molde. - El frotamiento de los órganos del aparato, por defectos de construcción, desgaste,

polvo, etc. Aparatos automáticos En la actualidad se encuentra en el mercado diversos aparatos automáticos para la determinación de la fragua, sus principales ven tajas son las siguientes: - Permiten el estudio de la fragua fuera de las horas de trabajo, incrementando la

productividad del laboratorio. - Facilitan una regular cadencia de las observaciones, mejorando la exactitud de la

determinación.

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- Hacen posible un mejor control de la temperatura de ensayo, en especial cuando ésta difiere del ambiente.

- Elimina los factores de variación atribuibles al ensayista - Proporcionan un registro gráfico del desarrollo de la fragua

EL CALOR DE HIDRATACION La hidratación del cemento provoca una reacción exotérmica de cada uno de los constituyentes con el agua. El calor que se libera es apreciable, alrededor de 80 cal/g. de cemento, lo que ocasiona que en el interior de concretos másicos la temperatura alcance al rededor de 50'C. la importancia de este fenómeno, se encuentra en el concretado de grandes volúmenes, pues la escasa conductibilidad térmica del concreto impide que el calor desarrollado se disipe por radiación. Durante el período de incremento de temperatura se producirá una expansión del cemento y luego al enfriarse el material a la temperatura ambiente se hace posible la formación de grietas o fisuras. Por el contrario, cuando se concreta en tiempo frío, el calor de hidratación del cemento contribuye positivamente, protegiendo la pasta de cemento de la congelación. Diversos investigadores han establecido fórmulas que permiten calcular el calor de hidratación del cemento, a diferentes edades, según su constitución química. Se calculó el calor desarrollado por 1 gramo de cemento, reemplazando en la siguiente relación, el % en peso de los constituyen tes.

Se puede establecer que la contribución al calor de los compuestos del cemento en calorías gramo en diferentes edades.

3 días 28 días

C3A 1.70 0.02 2.02 0.20

C3S 0.98 0.05 1.14 0.05

C4AF 0.29 0.18 0.48 0.18

C2S 0.19 0.04 0.43 0.04 Sin embargo, estas relaciones, al no tener en cuenta parámetros secundarios de importancia en la liberación de calor como la finura del cemento y la meteorización no pueden sustituir a los métodos experimentales. Su importancia reside en que permite proveer en que sentido las variaciones de la composición del clinker incidirán en el calor de hidratación del cemento. En rigor, el calor de hidratación que usualmente se mide compresión la suma de los calores liberados por las reacciones químicas de hidratación y el calor de absorción del agua sobre la superficie del gel de cemento que representa un 25% aproximadamente del calor total. En la práctica, el valor que tiene interés corresponde a la velocidad de calor desarrollado, teniendo en cuenta que en los tres primeros días que se libera más de la mitad del calor total de hidratación

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Básicamente para disminuir el calor de hidratación del cemento, se requiere disminuir en el crudo el A12 03 y el Ca0, y/o disminuir la finura. Las normas establecen dos tipos de cemento de bajo calor de hidratación el tipo II denominado de moderado calor de hidratación, que no desarrolla más de 290 cal/g. y el tipo IV de bajo calor de hidratación, con un desarrollo menor o igual a 250 cal/g. los requerimientos do- composición de estos cementos son los siguientes: COMPUESTOS OXIDOS C3A C3S C2S SiO2 Al203 Fe203 TIPO 11 8 21 6 6 TIPO IV 7 35 40 6.5 Las restricciones de la composición química, hacen que la norma fije resistencias menores en las primeras edades del cemento tipo II y resistencia final en el tipo IV con relación al tipo I. Esta situación no desmerece a estos cementos, utilizados en obras que no requieren apreciable resistencia. Parámetros secundarios El calor de hidratación de acuerdo. a las experiencias obtenidas es una función lineal, creciende, de la finura de los cementos. Cuando la finura pasa de 3000 á 4000 gr/cm2. el calor de hidratación puede incrementarse en un 50% a las 24 horas. La meteorización del cemento disminuye el calor desarrollado en la hidratación. Su acción es mayor con la humedad ambiente y el tiempo de exposición. Un cemento conservado durante un mes en clima húmedo puede reducir en un 100% el calor desarrollado a las 24 horas. La absorción de 1% de C02 origina una reducción de 5.8 cal/gr. Finalmente, la edición de material puzolánico o inerte, varia el calor de hidratación del cemento, en la medida que el porcentaje de adición disminuye el porcentaje de C3A y C3S. De los métodos de ensayo Se han desarrollado varios métodos para evaluar el calor de hidratación del cemento. - Calor de disolución - Calorímetro adiabático - Botella aislante Calor de disolución El método de calor de disolución. es un método de empleo general en termoquímica para determinar el calor de formación de compuestos. Se mide el calor de hidratación del cemento por disolución en un ácido, en tras operaciones: 1) La disolución del cemento anhidro por ácido, en un calorímetro, cuya masa calorífica

total M, es conocida. La disolución es exotérmica y provoca un calentamiento del calorímetro de valor ea. la cantidad de calor desarrollado por el cemento anhidro será así:

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2) Hidratación de una cantidad de cemento y conservación durante un tiempo t requerido,

en un recinto a temperatura constante. molienda y disolución de la pasta en ácido, generando una reacción exotérmica con calentamiento:.

el desarrollo de calor corresponde a:

3) Considerando que todo calor de reacción, efectuado a presión o volumen constante,

depende únicamente del estado inicial y final, puede determinarse el calor desarrollado por la hidratación de c gramos de cemento en un tiempo t como:

o también:

El procedimiento de ensayo está normalizando por ITINTEC y ASTM. Método de la botella aislante En el método de la botella aislante o termos, se utilizan dos vasos Dewar, en uno se coloca el mortero a estudiar en el curso de la hidratación y el otro sirve de referencia de temperatura con un mortero endurecido. El procedimiento consiste en obtener la curva de calentamiento, a partir de la cual se calcula el calor desarrollado en cada instan te. A este objeto es necesario efectuar la corrección de cada botella. En general este método es poco costoso y guarda muy buena precisión hasta los siete días. El cálculo del calor de hidratación a partir de la curva de calentamiento. Si consideramos que la liberación de calor en el curso de la hidratación del cemento dQ en un período de tiempo dt, sirve para e levar la temperatura del calorímetro y de su contenido de y además alimentar las pérdidas de calor al medio ambiente, se puede plantear la siguiente relación:

Siendo: DQ = (calorías) cantidad de calor liberado en t.

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M = (gramos o calorías) masa calorífica de la botella y accesorios. E = (grados centígrados) calentamiento del mortero en t. También temperatura del mortero temperatura testigo. = (grados centígrados) coeficiente de pérdida de la botella. De = (grados centígrados) variación del calentamiento e debido a dQ. Dt = (en horas) tiempo en que se libera el calor dQ. Para conocer el calor total liberado se requiere hacer la sumatoria de todos los calores elementales dQ en función del tiempo.

El primer término representa el calor acumulado por el mortero en el transcurso de la experiencia y se le denomina calor latente. El segundo término representa el calor perdido. En la práctica operatoria, se logra que e0 = 0 De esta manera, el calor liberado por un gramo de cemento, entre el inicio de la experiencia y el tiempo t será:

Método del calorímetro adiabático El método del calorímetro adiabático se basa en determinar un espécimen de la liberación del calor que se desarrolla en concreto o mortero que se mantiene a la misma temperatura del cemento que se está hidratando, registrándose la temperatura en función del tiempo. Este procedimiento guarda similitud con la situación del concreto en grandes masas, por lo que es apreciado para evaluar el comportamiento directo del cemento en concreto. El dispositivo de ensayo comprende un recipiente estanco donde se ubica el conjunto que a su vez se encuentra en el interior de un recipiente de cobre, dotado de resistencias exteriores repartidas de manera de poder desarrollar un calentamiento uniforme del recinto. Un sistema de regulación permite mantener la igualdad de temperaturas entro los dos recipientes. Para asegurar el proceso de ensayo, ambos en conjunto se encuentra en la práctica dentro de una protección calorífica aislante. El principio de medida es simple. La cantidad de calor Q liberado será:

Siendo M la masa calorífica del aparato en operación y E) el calentamiento medido. En el caso de un contenido de cemento "c" en el espécimen, el calor de hidratación será

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Evaluación de los métodos En los Últimos años se ha introducido las técnica de medida adiabática, especialmente por encontrarse en el mercado aparatos sofisticados que ofrecen Medidas directas, precisas y continuas obteniéndose rápidos resulta-dos que son real. expresión de como se comportara un concreto en obras masivas. El método de la botella aislante económico y menos espectacular, brinca al usuario resultados muy satisfactorios, coincidentes con los que se obtiene con el método adiabático en los prime siete días. Su utilización desde el punto de vista geográfico es muy restringida. En cuanto al método de calor de disolución, se encuentra en casi todas las normas de cemento. Mientras no se pretenda extrapolar sus resultados y se le considere como un procedimiento para evaluar la calidad del cemento, quedará por mucho tiempo como norma preferida. Con la restricción de su aplicación a los cementos compuestos, por los problemas de la puesta en solución del material puzolánico. ESTABILIDAD DE VOLUMEN La estabilidad del cemento endurecido es de importancia para la permanencia y buen servicio de las construcciones. En principio todos los cementos tienen deformaciones diminutas de contracción y dilatación según el equilibrio termo higrométrico con el entorno; deformaciones previsibles y controlables. Sin embargo, ciertos cementos luego de fraguados pueden sufrir importantes deformaciones, dilatándose hasta llevar a la rotura a morteros y concretos. Estos desarreglos pueden atribuirse a un exceso de los siguientes compuestos:

Cal libre, Ca0 Magnesia libre MgO especialmente cristalizada, Yeso, SO4 Ca 2 H2O

La cal libre La cal libre se produce Por factores diversos, presentando formas diferentes. Debemos distinguir el óxido de cálcico anhidro CaO del hidrato de calcio Ca (OH)2 y definidos muchas veces bajo la denominación de cal libre en especial por el análisis químico La cal libre CaO, en su forma de óxido de calcio anhidro, se produce por las siguientes condiciones: - la combinación incompleta de los materiales del crudo; sea por molienda grosera o

calcinación insuficiente. - un elevado limite de saturación de cal en la mezcla del crudo. - descomposición térmica de la alita, modificada por un débil porcentaje de óxido de

aluminio o fierro, según la reacción

3 CaO SiO2 = 2 CaO SiO2 + CaO

La formación resultante se observa al microscopio sobre los cristales de alita. Las causas que producen la cal libre intervienen en la- magnitud de la expansión. La cal libre primaria, en función de presentar grano cristalino grueso, resultan potencialmente mas expansiva. La cal libre secundaria es de grano fino y poroso se encuentra dispersa, reacciona rápidamente con el agua por lo que no es fuente de expansión apreciable. La magnesia

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Las deformaciones debidas a lalibre sólo se presentan cuando se encuentra cristalizada en forma de cristales de periclasa, que por lenta hidratación forman la Brucita Mg (OH) 2 que tiene un incremento de volumen del orden del. 120%, originando las tensiones internas que llevan a la rotura al concreto. La magnesia libre proviene de los materiales calcáreos dolimíticos, yacimientos que son explotados en muchos países sin problema, aplicando un rápido enfriamiento al clinker a la salida del horno, de manera de vitrificar la magnesia e impedir su expansión futura. La acción negativa de la magnesia fue establecida por los trabajos de Vicat, a fines del siglo pasado siendo motivo de estudios empíricos por los fabricantes de cemento de Alemania que prescribieron para eliminar los desarreglos del cemento un contenido máximo de 5% de magnesia libre. Este criterio subsiste en la actualidad en la casi totalidad de las normas, pese a la limitación de no diferenciar la forma de presentación de la magnesia. Sulfato de calcio El sulfato de calcico es el tercer elemento capaz de producir variaciones de volumen. Esta eventualidad se produce cuando el porcentaje de yeso, que se agrega a la molienda conjunta con el clinker, es superior al que puede reaccionar con el C3A en el fraguado. En tal caso se produce un, sulfoaluminato de calcio que provoca expansión lenta. Sin embargo, la casi totalidad de las normas imponen restricciones severas al contenido de yeso en los cementos, lo que hace que este desarreglo sea esporádico. Parámetros secundarios la estabilidad de las pastas guarda relación con el contenido de C 3 S del cemento. En efecto, la inestabilidad se produce cuando las tensiones de expansión superan a la cohesión intrínseca de la pasta; produciendo eventualmente la fisuración al sobrepasar la resistencia a la tracción. El incremento de C3S, responsable de la resistencia en las primeras edades, permite mayor contenido de CaO libre. La finura del cemento interviene en la inestabilidad producida por Ca0 libre, en la medida que una mayor finura del cemento origina la posibilidad que el CaO pueda hidratarse antes del fraguado, reduciéndose así su acción expansiva. Métodos de ensayo Las agujas de Le Chatelier. El método de Le Chatelier consiste en apreciar la expansión de un pequeño espécimen cilíndrico de cemento hidratado en condiciones de curado en agua hervida o vapor de agua. El instrumento consiste en un molde cilíndrico de bronce de 3 cms. de diámetro y 3 de altura, con una hendidura a lo largo de la generatriz. Dos vástagos alargados, con extremidades en punta, se fijan a ambos lados de la hendidura, para poder medir con facilidad la expansión del cemento El cilindro se moldea con cemento de consistencia normal y se mantiene entre dos placas de vidrio, sumergiéndolo en agua de 18 á 20"C. durante 24 horas. Prueba de la galleta. El método de la galleta consiste en preparar una masa de pasta pura, de 8 á 10 cms. de diámetro y de 1 á 2 cms. de espesor, rebajado en los bordes. El espécimen es conservado en estado húmedo durante 24 horas y luego en atmósfera de vapor de agua hirviendo por cinco horas. Al término se aprecia las deformaciones o formación de fisuras. Esta prueba, al no poder expresar resultados en unidades c.g.s. introduce un factor subjetivo en su evaluación.

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El ensayo de autoclave: El ensayo de estabilidad al autoclave tuvo un amplio desarrollo en los Estados Unidos a principios del siglo. En 1934. la comisión que estudiaba la estabilidad de los cementos en el ASTM, llevó a cabo una serie de experiencias a fin de adoptar este método do, en sustitución al ensayo vigente de exposición de galletas de cemento al vapor de agua en 100ºC. Las conclusiones de la Comisión fueron las siguientes: - El ensayo de galleta de la norma ASTM no es suficiente como prueba de estabilidad

del cemento - La expansión, medida con las agujas de Le Chatelier, luego de tratamiento en agua

hirviendo.. no guarda correlación con el ensayo en autoclave. - La cal libre es el factor principal de la expansión diferida da. Incrementos reducidos

pueden atribuirse al contenido de magnesia o aluminio tricálcico, cuando sobrepasan valores de MgO, de 0.8 á 4%; C 3 A 1 de 6 á 14%.

En virtud de estos estudios el ASTM adoptó el método del autoclave como norma tentativa el año de 1940, aprobándola como definitiva el año de 1944. En el ensayo de autoclave se determina la estabilidad del cemento Midiendo la expansión de probetas prismáticas ¿te pasta pura, mantenidas luego de 24 horas de curado húmedo bajo temperatura alta y presión de 295 psi durante 3 horas. Las probetas tienen 11,2 de sección y la longitud de medida es de 10"; el comparador está graduado en 1/10,00u de pulgada. Los resultados se redondean en 0.01% al más cercano.

FINURA El concepto de finura ha estado desde muy antiguo vinculado a la calidad del cemento. En efecto, se aprecia que cuando más fino sea el polvo de cemento, es decir, cuanto mayor es la relación la superficie activa sobre la masa, se potencian las reacciones de hidratación del cemento y el agua. El cemento más fino produce una pasta con mayor capacidad para cubrir los gránulos del agregado, factor de importancia pues la rotura del concreto se debe generalmente a falla de adherencia. Además, las reacciones de hidratación son más elevadas cuando crece la superficie específica del cemento, en cuanto las reacciones se producen sobre la superficie y a través de ella. Inicialmente los cementos no fueron objeto de molienda fina, presentando un número apreciable de granos gruesos; por lo que las normas se preocuparon de limitar e! residuo en mallas de 30 á 50 micrones. Posteriormente, en el período comprendido entre las dos guerras mundiales, se produjo un incesante incremento de la finura, que llevó al control de la calidad por la determinación de la superficie específica. En la actualidad, se introducen métodos sea para establecer la granulometría del polvo o la superficie efectiva, de manera rápida y económica. En efecto, los valores de superficie específica no siempre son válidos para explicar el comportamiento de las pastas, dado que una pequeña fracción muy finamente molida aumenta en mucho el valor de la superficie específica total. También se ha apreciado que no todos los tamaños de cemento tienen la misma actividad. Se conoce que los tamaños mayores a 50 micrones, no llegan a hidratarse; sin embargo, estos gránulos pueden contribuir al restablecimiento autógeno en el caso de fisuración del concreto. Los tamaños más pequeños, del orden de los 5 micrones, parecen ser los responsables de las

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resistencias entre uno y tres días. Existe consenso que los gránulos comprendidos entre 5 y 30 micrones son los de mayor actividad. Se ha tratado de elaborar teorías sobre el tamaño óptimo del cemento, sin embargo el lento desarrollo de la tecnología de molturación hacen que cualquier alcance logrado no sea de aplicación inmediata. Los circuitos de molienda cerrada producen cementos de granulometrías más estrechas, según las características del reciclaje, mientras los molinos abiertos les' dan mayor amplitud. El grado de molienda, que en algunos países ha llevado a significar un elemento de competencia en el mercado, resulta antieconómico a partir de ciertos valores, superiores a 4000 cm2/gramo. Sin embargo, es determinante en la fabricación de los cementos de alta resistencia inicial y los de superalta resistencia inicial. Algunas especificaciones, como es el caso del American Association of State Highway, han limitado la finura de los cementos utilizados en calzadas a 4200 cm2/gramo. explicación se encuentra en que a la vez de tener efectos benéficos la finura exagerada de los cementos puede producir determinación nados desarreglos. En efecto, entre las ventajas de la finura está:

- Resistencia más rápida.

- menor cantidad de agua necesaria para la consistencia apropiado del concreto. - Disminuye la tendencia a la exudación del concreto.

Asimismo, genera los problemas de: - Incremento de la incorporación de yeso al clinker. - Aumenta la acción del intemperismo sobre el cemento - Origina deformaciones más importantes. Esto explica el porqué de la norma de finura, que no solamente está dada para garantizar la resistencia inicial, como fue la justificación al introducirse la norma.

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Características Físicas Y Mecánicas Del Cemento Características Físicas Y Mecánicas Del Cemento

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