Tema 3 Cementos

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30/03/2014 1 Por Ing. Ricardo Castellanos Araujo TEMA No. 3 MATERIALES CONGLOMERANTES (CEMENTANTES) 1 Materiales Adhesivos Materiales adhesivos o ligantes: son capaces de unir entre si otros materiales por medio de una transformación física y/o química Aglomerantes: reacción física por evaporación de disolventes o enfriamiento (arcillas, asfalto, siliconas, resinas, pinturas) Conglomerantes: reacción química llamada fraguado. 2 Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

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1

Por Ing. Ricardo Castellanos Araujo

TEMA No. 3

MATERIALES CONGLOMERANTES (CEMENTANTES)

1

Materiales Adhesivos

Materiales adhesivos o ligantes: son capaces de unir entre si otros materiales por medio de una transformación física y/o química

Aglomerantes: reacción física por evaporación de disolventes o enfriamiento (arcillas, asfalto, siliconas, resinas, pinturas)

Conglomerantes: reacción química llamada fraguado.

2 Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

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Conglomerantes

Aéreos, como la cal aérea o el yeso

Hidráulicos, como la cal hidráulica o el cemento

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ArcillaAsfaltos naturales

EscayolaCal aérea

Cal + Puzzolana(o polvo de cerámica)

Prehistoria Antigüedad Edad Media

19501850 19001800

Na

tura

les

reo

sH

idrá

uli

cio

sO

rgá

nic

os

Mesopotamia

Egipto

Grecia

Roma

Cemento rápidoCal hidráulica

Cemento PortlandOtros cementos basados en clinker de CP

Cemento aluminoso

Resinas sintéticas"Productos negros"

Tiempos Modernos

http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

3.1 Cemento

Su nombre deriva de caementum, que en latín significa "argamasa", y procede a su vez del verbo caedere ( precipitar ).(1)

Su uso se remonta

al antiguo Egipto, Roma (arena + cal + puzolana) y América precolombina (algas calcinadas)

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(1) Saade. M. 1984, Página 203

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Puzzolana

Materiales silíceos o alumino-silíceos que por sí solos poseen poco o ningún valor cementante

Dividido finamente y en presencia de agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio para formar compuestos con propiedades cementantes http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visiitado marzo 2013) 5

Cemento hidráulico

Es un material inorgánico finamente pulverizado que al agregarle agua tiene la propiedad de fraguar y endurecer, incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.(2)

6 (2) Norma Mexicana NMX C-414 ONNCE 2004 www.incyic.com/normas (visitado marzo 2013)

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Cemento Portland

La tecnología actual se inicia en 1754

La producción industrialmente se inició en 1824 con Joseph Apsdin

Denominó el Cemento Portland por el parecido a una piedra natural inglesa de Portland.

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Productores de cemento

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Fabricación del cemento

http://www.cemex.com/ES/ProductosServicios/ComoHacemosCemento.a

spx

http://www.youtube.com/watch?v=pNo-ccL6Tto 11

Tipos de cementos CLASIFICACION TIPO DE CEMENTO

CEMENTOS NATURALES

Romano

Portland natural

CEMENTOS ARTIFICIALES

Cementos Portland (ASTM C150) NSO (RT) 91.13.01.03

Cementos hidráulicos (ASTM C-1157) NSO (RT) 91.13.05.03

Especiales (No incluidos en las normas ASTM)

Cementos Portland mezclados (ASTM C595) NSO (RT) 91.13.04.03

Cementos expansivos (ASTM C845)

Cementos de mampostería (ASTM C91) NSO (RT) 91.13.03.03

Cemento Portland blanco (ASTM C150)

12 NSO = NORMA SALVADOREÑA OBLIGATORIA; RT = REGLAMENTO TÉCNICO (ORSATEC) http://www.defensoria.gob.sv/index.php?option=com_content&view=article&id=468:normas-salvadorenas-obligatorias-nso&catid=119

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Productos HOLCIM http://www.holcim.com.sv

CESSA 5000 (ASTM C-150)

CESSA PORTLAND (ASTM C-1157 tipo GU)

CESSA PAV (ASTM C-1157 tipo HE)

CESSA BLOCK (ASTM C-1157 tipo HE)

CESSA CUSCATLÁN (ASTM C-91)

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Cemento Portland (ASTM C-150)

Cemento hidráulico producido por la pulverización de clinker mezclado con yeso (3% máximo), que cumple con requisitos químicos de la ASTM C-150

Clinker: es un alúmino silicato de calcio que se obtiene por calentamiento en hornos giratorios a 1300 ºC, de una mezcla de piedra caliza y arcilla finamente molidos

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Composición química del cemento Portland

SUSTANCIAS QUÍMICAS

Cal (CaO)

Sílice (SiO2)

Alúmina (Al2O3)

Oxido de hierro (Fe2O3)

Oxido de magnesio (MgO)

Trióxido de sulfuro (SO3)

Álcalis (K2O + Na2O)

Agua y bióxido de carbono (H2O + CO2)

COMPUESTO Silicato tricálcico (3CaO,SiO2) o “alita” se abrevia

S3C o C3S

Silicato dicálcico (2CaO,SiO2) o “belita” se

abrevia S2C o C2S

Aluminato tricálcico (3CaO,Al2O3) se abrevia

A3C o C3A

Aluminoferrito tetracálcico (4CaO,Al2O3,Fe2O3) o

“celita” se abrevia AF4C 16 Tomado de ASTM C-150- 04

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Compuestos beneficiosos

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COMPUESTO CONTRIBUCION AL

CEMENTO Silicato tricálcico (3CaO,SiO2) o

“alita” se abrevia S3C o C3S

Silicato dicálcico (2CaO,SiO2) o

“belita” se abrevia S2C o C2S

Son los principales compuestos del clinker al hidratarse

forman los silicatos hidratados de calcio que son los

responsables de la resistencia mecánica del cemento.

Normalmente, el C3S aporta resistencia a corto y

mediano plazo, y el C2S a mediano y largo plazo

Aluminato tricálcico

(3CaO,Al2O3) se abrevia A3C o

C3A

Compuesto que se hidrata con mayor rapidez,

propiciando mayor velocidad en el fraguado y en el

desarrollo del calor de hidratación en el concreto.

Determina la velocidad de endurecimiento

Aluminoferrito tetracálcico

(4CaO,Al2O3,Fe2O3) o “celita” se

abrevia AF4C

Contribuye poco a la resistencia del concreto y reduce la

temperatura de formación del clinker, ayudando por

tanto a la manufactura del cemento.

Compuestos perjudiciales

Límite máximo de 0.6% de álcalis, óxidos de sodio (Na2O) y de potasio (K2O), para evitar reacción álcali – agregado.

Límite máximo de puzolanas o cal= 5% para evitar disminución de resistencia.

Valores mayores al 5% lo convierten en cemento mezclado (ASTM C-595 o ASTM C 1157)

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CONCRETERA MIXTO LISTO, S.A. DE C.V.

La reacción álcali-agregado

puede producir una expansión

anormal y agrietamiento del

concreto.

Se manifiesta a largo plazo ( 3 ó

más años)

Reacción álcali - agregado

Tipos de cemento Portland

Tipo I: sin características especiales ni ajustes específicos.

Tipo II: moderado calor de hidratación y resistencia a los sulfatos. Se ajusta el C3A

Tipo III; alta resistencia rápida. Se usa alto contenido de C3S

Tipo IV: bajo calor de hidratación. Se usa alto contenido de C2S y moderado C3A

Tipo V; alta resistencia a los sulfatos. Se ajusta un bajo contenido de C3A

Portland con inclusores de aaire IA, IIA, IIA

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Características y usos del cemento Portland tipo I

Uso normal

Es de uso general, utilizado en concretos que no estén sometidos al ataque de factores agresivos.

Pavimentos, pisos, edificios de concreto armado, puentes, estructuras para vías férreas, tanques y depósitos de agua, tuberías, mampostería y otros productos de concreto prefabricado.

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Características y usos del cemento Portland tipo II

Moderado calor de hidratación y moderada resistencia a a los sulfatos

Se usa cuando se deben tomar precauciones contra el ataque moderado de sulfatos.

Este cemento genera menos calor de hidratación que el tipo I,

Se emplea en estructuras de volumen considerable, como en pilas de gran masa, presas o muros de contención de gran dimensión.

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Características y usos del cemento Portland tipo III

Endurecimiento rápido

Proporciona resistencias elevadas a edades tempranas. Química y físicamente similar al cemento tipo I, excepto que sus partículas se han molido finamente.

Se emplea cuando se tenga que poner rápidamente en servicio la estructura.

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Características y usos del cemento Portland tipo IV

Bajo calor de hidratación

Desarrolla resistencia a una velocidad inferior a la de otros tipos de cemento, mantiene en un valor mínimo la cantidad y velocidad de generación de calor provocada por la hidratación.

SE usa en estructuras de concreto masivo, como presas de gravedad grandes.

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Características y usos del cemento Portland tipo V

Alta resistencia a los sulfatos

La resistencia la adquiere aún más lento que el cemento tipo I.

Se emplea en concretos expuestos a acciones severas de sulfatos

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Características y usos del cemento Portland inclusores de aire

Tipos IA, IIA y IIIA

Producen concretos con resistencias mejoradas contra la acción de la congelación- deshielo y contra la descamación provocada por la aplicación de productos químicos para remover hielo o nieve.

Se utiliza en construcciones sometidas a ciclos de hielo y deshielo

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Inclusor de aire

El agua puede filtrar dentro del concreto a través de fisuras o discontinuidades.

Cuando el agua se congela, pasa por un cambio de volumen, que produce presión que puede agrietar el concreto.

Las burbujas de aire permiten que el agua cambie de estado, sin presionar internamente al concreto endurecido

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Cementos Portland mezclados ASTM C-595

Portland mezclado: fabricados con clinker de cemento portland combinado con escoria, puzolana, o ambos.

Tipo IS: Portland de escoria de alto

Tipo I (SM): Portland de escoria modificado

Tipo S-cemento de escoria para su uso en combinación con cemento portland y cal

Tipo IP: Portland-puzzolana

Tipe P: Portland-puzzolana para uso cuando se necesitan altas resistencias a edad temprana.

Tipo I(PM): Portland-puzzolana modificado

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Cementos Hidráulicos fabricados bajo norma ASTM C-1157

Desde 1992 existe la Norma ASTM C-1157, como especificación estándar para el desempeño de cementos hidráulicos

Aplicable a cementos hidráulicos para aplicaciones generales y especiales. Portland mezclados o cementos hidráulicos compuestos

Es una especificación para dar los requisitos de rendimiento. No hay restricciones en la composición del cemento, ni en el uso de adiciones minerales.

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Aclaración

ASTM C-150 define el Cemento Portland

ASTM C-595 define el Cemento Portland mezclado; pero limitado a mezclas con puzzolana y/o escoria.

ASTM C-1157 redefine el concepto de cemento mezclado: dos o más ingredientes inorgánicos que contribuyan a las propiedades del cemento, con o sin otros ingredientes y adiciones minerales (también llamados cementos compuestos)

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Tipos de cementos según C-1157

Tipo GU (general use): uso general en la construcción

Tipo HE (high early strenght): alta resistencia a temprana edad

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Tipo MS (moderate sulfate resistance): resistencia moderada a los sulfatos.

Tipo HS (high sulfate resistance): alta resistencia a los sulfatos

Tipo MH (moderate heat of hidratation):moderada generación de calor de hidratación.

Tipo LH (low heat opf hidratation): bajo calor de hidratación

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Tipos de cementos según C-1157

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Son mezclas de cemento hidráulico coon materiales plastificantes (tales como caliza o cal hidratada), junto con otros materiales introducidos para mejorar una o más propiedades.

Cemento de mampostería (albañilería) ASTM C-91

Cemento de mortero ASTM C1329

http://notasdeconcretos.blogspot.com/2011/04/cementos-de-albanileria-masoneria.html (visitado marzo 2013)

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Cementos de mampostería y cementos de mortero

Cemento de mampostería

Cemento de mampostería: cemento hidráulico fabricado para su uso en morteros para la construcción de mampostería o en acabados, que contiene material plastificante (generalmente Cal) para mejorar el rendimiento

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Cemento de mortero

Cemento hidráulico diseñado para una adherencia y contenido de aire especificados en ASTM C1329

El cemento de mortero es similar al cemento de albañilería, los tipos son similares N,S y M

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Reacción química del cemento

Al amasarse el cemento con el agua, los primeros componentes en hidratarse son los no silicatados (A3C y AF4C)

Esta reacción formar un gel que envuelve los granos.

El endurecimiento final se debe a la hidratación de los componentes silicatados (S3C y S2C)

http://perso.wanadoo.es/jjreina/divulgacion/100tifica/articulos/cemento/cemento.ht

m 36

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CnS + H2O -> gel CSH + Ca(OH)2

CnS : silicatos de calcio

H2O : agua

Gel SCH (o CSH): silicatos de calcio

hidratados o gel de cemento

(desarrolla resistencia) Ca(OH)2: hidróxido de calcio

(protege de la corrosión)

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

CARBONATACION

(desprotege de la corrosión)

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Reacción química del cemento

http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013)

Hidratación del cemento

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Micro estructura del cemento

http://es.scribd.com/doc/74629261/Microestructura-Del-Cemento#download (visitado marzo 2013)

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Relación agua cemento

Cantidad de agua, en peso, relacionada con la de cemento, también en peso

Simbología: a/c

Afecta a la resistencia de la pasta, pues interviene en la interrelación entre los productos de hidratación de las distintas partículas de cemento.

Cuando se utiliza una baja relación a/c, la interrelación es mucho más estrecha y, es de esperar que la resistencia sea superior a cuando se utiliza una alta relación a/c donde las partículas se encuentran más alejadas

http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013) 40

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Influencia de la relación a/c

Influencia de la relación a/c sobre la resistencia de la pasta (cemento + agua).

41 http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013)

Composición de la pasta de cemento

http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013) 42

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Influencia de a/c en la resistencia

F´c= 985/27X

Kg/cm2

X = a/c

F´c = resistencia

a la compresión

del concreto a los

28 días 43 publiespe.espe.edu.ec(visitado marzo 2013)

Influencia de las adiciones minerales

Las adiciones minerales (diferentes a los aditivos) son compuestos naturales o artificiales que se incorporan al cemento o directamente al hormigón con el objeto de mejorar el comportamiento del cemento u hormigón en estado fresco y/o endurecido.

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Clasificación de las adiciones minerales

ACTIVAS: tienen la capacidad de hidratarse y formar compuestos SCH de manera similar a los formados en la hidratación del clinker portland.

45 http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013)

Adiciones minerales inactivas

Filler calcáreo: mineral compuesto básicamente por carbonato de calcio que, por su facilidad de molienda, se adiciona al cemento o se muele en forma conjunta con el clinker portland

Puede encontrarse en el mercado cementos con distintos tipos de adiciones

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Influencia de las adiciones sobre el desarrollo de resistencia

47 http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visitado marzo 2013)

Edad (días)

Influencia de las adiciones minerales inactivas en la agrietabilidad

48

Filler no reactivo

En compresión los

granos de cemento se

acercan y las partículas

no reactivas no afectan

En tensión los granos se

separan y las partículas no

reactivas debilitan la

microestructura del cemento

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Ensayos al cemento

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ENSAYO AASHTO ASTM

Finura

( método del Turbidometro )

T 98

C 115

Finura ( método del aparato

permeable al aire )

T 153

C 204

Análisis Químico T 105 C 114

Resistencia a la compresión

T 106

C 109

Expansión

( método de autoclave)

T 107

C 151

Muestreo T 127 C 183

Tiempo de fraguado T 131 C 191

Oxidos alcalinos en el

cemento

---- C 288

Reactividad Alcali - Agregado ---- C 277

Falso fraguado T 185 C 359

Endurecimiento temprano

( Métodode la pasta )

T 186

C 451

Contenido de aire T 137 C 185

3.2 Yeso

El yeso es uno de los materiales de construcción mas antiguos

Sumerios y asirios lo utilizaron aprovechando los extensos afloramientos de rocas de aljez y el clima seco.

La tecnología pasó a Grecia, Roma y luego a pueblos árabes.

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema6.Yesos.Escayolas.pdf (visitado marzo 2013)

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Yeso

Es el producto resultante de la deshidratación del mineral “aljez”, reducido a polvo.

El aljez o “piedra de yeso” es

un mineral compuesto de sulfato

de calcio hidratado (CaSO4 2H2O)

Endurece en contacto con el aire

51

Aljez

El aljez en estado puro es de incoloro o blanco, pero con las impurezas debidas a la arcilla, óxido de hierro, sílice (óxido de silicio), y caliza en pequeñas proporciones toma un color amarillo, gris o rojizo.

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Microestructura del yeso

Se presenta en cristales a veces grandes, en forma

de punta de flecha; también en masas fácilmente divisibles en láminas (espático).

Sistema monociclo

Con frecuencia forman prismas y doble pirámides

http://es.wikipedia.org/wiki/Yeso (visitado marzp

2013) 53

Composición química del aljez

Composición química del aljez es la siguiente:

46.51% de cloruro sódico (SO3), 32.56% de óxido de calcio (CaO), y 20.96% de agua (H2O).

Después de extraer el “aljez” se calienta en hornos giratorios y se pulveriza.

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Ciclo de fabricación del yeso

http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

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Clasificación del yeso

CLASIFICACION DESCRIPCION

YESOS

SEMIHIDRATADOS

(CASO4.1/2H2O)

Resultan de la primera deshidratación al que es

sometido el aljez en el proceso de calcinación en

la cual se desprende una y media molécula de

agua del mineral.

Dependiendo del contenido del semihidrato se

dividen en tres clases: yeso negro, yeso blanco, y

escayola. A los yesos semihidratados se les

conocen como: “yesos de fábrica” o “estucos”.

YESOS

ANHIDROS

(CASO4)

Resultan de la segunda deshidratación en la cual

se desprende la media molécula restante del

mineral.

De acuerdo con la temperatura creciente de

deshidratación se subdividen en: anhidrita

soluble, anhidrita insoluble, yeso hidráulico, y

yeso alúmbrico.

http://www.arqhys.com/coglomerantes.html (visitado marzo 2013)

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Propiedades del yeso

Excelente aislante térmico

Absorción acústica no es buena, comparada con otros materiales como madera o ladrillo

Absorbe el exceso de humedad que pueda haber en un ambiente

Es ignífugo (evita la propagación del fuego)

http://ideasparaconstruir.com/n/458/el-yeso-para-construccion.html (visitado marzo 2013)

57

Usos del yeso en la construcción

Yeso negro (color gris): morteros de yeso

Yeso blanco: morteros de yeso, estucos para acabados, placas de yeso laminado (tabla roca, tabla yeso o gypsum board).

Escayola: molduras y decoración

Yesos anhidros: cementos de yeso Keene´s

http://www.arqhys.com/coglomerantes.html (visitado marzo 2013) 58

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Normas relativas al yeso

ASTM C-22: especificaciones estándar para yeso

ASTM C-28: especificaciones estándar para pastas de yeso

ASTM C-471: ensayos químicos al yeso y productos de yeso

ASTM C-473: ensayos físicos a paneles de yeso

59

Normas relativas al yeso

ASTM C-61: especificaciones para cemento de yeso Keene´s (yeso anhidro que da un acabado fuerte, resistente al agrietamiento, que contiene aluminio de potasio para acelerar el fraguado)

Patentado en 1838

Se utiliza para rellenar grietas en paredes o reparar revestimientos muy deteriorados

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3.3 Cal

Todas las formas físicas en las que pueden aparecer el óxido de calcio (CaO)

Se obtiene de la calcinación de la piedra caliza que es básicamente carbonato de calcio CaCo3

http://es.wikipedia.org/wiki/Cal (visitado marzo 2013)

61

Ciclo de la Cal

Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado

marzo 2013)

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Tipos de Cal

Cal aérea: compuesta principalmente de óxido e hidróxido de calcio (CaOH2) y magnesio, que endurece lentamente al aire por acción del CO2 de la atmósfera

Cal grasa: contiene un máximo de 5% de óxido de magnesio. Al apagarse da una pasta fina blanca, untuosa y blanda (mientras permanezca en sitios húmedas y fuera del contacto del aire)

63 Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado

marzo 2013)

Tipos de Cal

Cal magra: contiene mas de un 5% de óxido de magnesio. Al añadir agua forman una pasta gris poco trabajable y desprende más calor que las cales grasas.

Cal hidráulica: contiene arcillas y alúmina (20%) que durante la cocción se transforman en silicatos y aluminatos cálcicos. Después de amasadas con agua endurecen al aire

64 Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

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Propiedades de la cal hidráulica

Índice de hidraulicidad

Determina el tiempo de fraguado

http://www.fical.org/index.php?option=com_content&view=article&id=48:hidraulicidad&catid=5:ciclo-de-la-cal&Itemid=279 (visitado marzo 2013)

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Tipo de Cal Índice de Hidraulicidad

Cal aérea < 0.10

Cal débilmente hidráulica 0.10 – 0.16

Cal medianamente hidráulica 0.16 – 0.31

Cal hidráulica normal 0.31 – 0.42

Cal eminentemente hidráulica 0.42 – 0.5

I > 0.5 se considera cemento

Usos de la cal en construcción

Estabilización de suelos

Mampostería

Morteros de cal y arena

Morteros de cal, cemento y arena

Pastas y lechadas

Adición al concreto

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Normas ASTM

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ASTM C-207: especificaciones de cal hidratada para mampostería

ASTM C-821: especificación estándar de cal para usar con puzzolana

ASTM C-997: especificación estándar de cal rápida y cal hidratada para estabilización de suelos

Normas ASTM

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ASTM C-1489: especificación estándar para masilla de cal para propósitos estructurales

ASTMA C-1707: especificación estándar de cal hidráulica puzolánica para usos estructurales

ASTM C-110: métodos estandarizados de pruebas físicas para cal hidratada y piedra caliza

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Bibliografía y referencias

Saad, Miguel A. [1983] Tratado de Construcción, EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. de C.V., México

D.F., México, decimocuarta impresión

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Villarino Otero, Alberto. Ciencia y tecnología de los Materiales. http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA04.htm (visitado marzo 2013)

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http://www.lomanegra.com.ar/img/cp.pdf (visiitado marzo 2013)

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