Portland

Hormigón de Cemento Portland


Cemento Portland





INCI 4035 - Materiales de Ingeniería Civil





El hormigón de cemento Portland es el material de construcción más utilizado en el mundo. Edificios, puentes, túneles, represas, fábricas, pavimentos y otros. El hormigón de cemento Portland consiste de cemento Portland, agregados, agua, vacios de aire y a veces aditivos. El cemento Portland fue patentado por Joseph Aspdin en 1824. Es un pegamento instantáneo (mezclado con agua) que une agregados para hacer el hormigón de cemento Portland. 2

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Ingredientes del hormigón de Cemento Portland

Producción de Cemento Portland

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Composición química del cemento

Producción de Cemento Portland


Productos químicos en la materia prima:








Durante la calcinación en el horno (kiln) se producen:





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Caliza Sílica Alúmina Oxido de hierro Silicato tricalcio (C3S) Silicato dicalcio (C2S) Aluminato tricalcio (C3A) Alúminoferrito tetracalcio (C4AF) 6

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Hidratación del cemento Portland

Finura y peso específico del cemento Portland








Mientras más fino el cemento más rápida la hidratación y mayor calor de hidratación inicial Sin embargo, cemento muy fino es más costoso de producir y puede ser dañino para la calidad del cemento Algunos números:







Máximo tamaño: 0.09 mm 85-95% son menores que 0.045 mm El diámetro promedio es 0.01 mm









La gravedad específica (sin incluir vanos): 3.15

Es la reación química entre las partículas de cemento y el agua Muchas reacciones químicas ocurren ya que el cemento tiene muchos compuestos químicos Los aluminatos se hidratan más rápido que los silicatos La reacción del aluminato tricalcio con el agua es inmediata y libera mucho calor El yeso se usa para retrasar la velocidad de esta reacción produciendo iones de sulfato. El balance entre el aluminato y sulfato determina la velocidad de fragüado.

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Hidratación del cemento Portland (cont)








Vacíos en el hormigón de cemento Portland

El cemento de fragüado normal tiene poca concentración de aluminato y sulfato. Permanece manejable por ~45 min y empieza a solidificarse a las 2~4 horas Exceso de aluminato y sulfato la manejabilidad dura ~10 min y se solidifica a las 1~2 horas Alto aluminato con bajo sulfato produce un fragüado rápido (10~45 min) o un fragüado instantáneo (<10 min) Bajo aluminato y alto sulfato produce también un fragüado instantáneo El silicato tricalcio se hidrata más rápido que el silicato dicalcio, contribuyendo al tiempo de fragüado final y la ganancia de resistencia inicial.





La resistencia, durabilidad y estabilidad de volumen del hormigón estan fuertemente influidos por la cantidad de vacios. Los siguientes tipos de vacios pueden estar presentes en el hormigón:
Espacio de hidratación entre capas de C-S-H: Es muy pequeno y no afecta la resistencia del hormigón.
Vacios capilares: Resultantes del agua que no fue parte de la hidratación del cemento y que luego se evaporó.
Aire atrapado: Aire que penetra en la pasta de cemento durante la mezcla.
Aire incorporado: Es un aditivo para mejorar la durabilidad del hormigón en lugares donde hay hielo/deshielo.

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Propiedades del cemento hidratado


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Aparato de Vicat

Fraguado








Se refiere al fenómeno en que la pasta de cemento se rigidiza hasta que cambia de un estado plastico a sólido. Es diferente el fraguado al endurecimiento: En el endurecimiento la pasta adquiere resistencia, en el fraguado no. El fraguado se define mediante el fraguado inicial y el fraguado final. Las definiciones de fraguado inicial y final son arbitrarios y basados en el aparato de Vicat o las agujas de Gillmore. Si el cemento esta expuesto a humedad cuando esta almacenado, puede ocurrir un falso fraguado, en el cual el cemento se rigidiza a los pocos minutos de empezar la mezcla. 11

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Propiedades del cemento hidratado (cont).


Integridad:





Relación agua-cemento En 1918 Abrams encontró que la razón del peso del agua al del cemento (w/c ratio) influia en todas las propiedades buenas del hormigón.
Ley de Abrams: Para un hormigón totalmente compactado hecho con agregados buenos y limpios, la resistencia y otras características buenas se mejoran disminuyendo la cantidad de agua por unidad de peso de cemento.


Es la capacidad de mantener su volumen despues del fraguado.

Resistencia a la compresion del mortero.






Mortero = cemento, agua, arena. Se usan cubos de 2 in. de lado (ASTM C109, C778, C150) La resistencia a la compresion del mortero es proporcional a la resistencia del hormigon. Sin embargo, la resistencia del hormigon no puede predecirse basado en la resistencia del mortero. Esto porque la resistencia del hormigon depende de las caracteristicas de los agregados, la mezcla del hormigon, y el procedimiento constructivo.

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Relación agua-cemento

Relación agua-cemento (cont)


Porque esto ocurre?








La hidratación requiere apenas 0.22~0.25 kg de agua por kilo de cemento. Se debe usar mas agua para que la mezcla sea manejable. Esta agua en exceso al evaporarse crean vacios capilares. Los vacios capilares aumentan la porosidad y la permeabilidad del hormigón y reducen su resistencia.

Una relacion agua-cemento baja tambien aumenta la resistencia al medio ambiente, provee una buena adhesion entre capas de hormigón, provee una buena adherencia entre hormigon y acero y limita los cambios de volumen debido al secado y humedecido.

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Tipos de cemento Tipo I, IA

Nombre Normal

Aplicaciones Cuando no se necesitan propiedades especiales

Mas información? Portland Cement Association: http://www.cement.org

II, IIA Resistencia moderada a los sulfatos III, IIIA

Alta resistencia inicial

Construcciones Fast-track, reduccion del tiempo de curado en climas frios

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Bajo calor de hidratacion

Se utiliza en el hormigonado de grandes volumenes

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Resistencia alta a los sulfatos

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Agua para la mezcla

Aditivos para el hormigón

Cualquier agua potable puede usarse en la mezcla. Algunas aguas no-potables también pueden usarse en la mezcla. El agua de la mezcla no debe tener:









Impurezas:












Disminuyen resistencia, durabilidad, y tiempo de fragüado Crean eflorescencia Producen manchas Corroen el acero Crean inestabilidad de volumen




Iones de cloruro (acelera la corrosión del acero)

El criterio de aceptación está en la ASTM C94.













Luego de 7 días, los cubos de mortero hechos con el agua cuestionada deben poseer una resistencia mayor al 90% de la resistencia de los cubos hechos con agua potable o destilada El tiempo de fraguado no debe ser una hora menos o 1-1/2 horas más que la pasta de cemento hecho con agua potable o destilada.

Son ingredientes adicionales (al agua, cemento y agregados) que se añaden al hormigón para impartirle una cualidad específica al estado plástico (fresco) o al endurecido. Si el aditivo se añade en forma de solución, el líquido debe considerarse parte del agua de la mezcla. La forma de añadirse el aditivo está recomendada por el fabricante.

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Aditivos para el hormigón (cont)














Incorporadores de aire

Los aditivos se clasifican en:




Incorporadores de aire Reductores de agua Retardadores Controladores de hidratacion Aceleradores Aditivos cementicios suplementarios Aditivos especiales








Las razones para usar aditivos son (PCA)





Producen pequeñas burbujas de aire en el hormigón endurecido para proveer espacio para que el agua se expanda al congelarse. Los beneficios de incorporar aire son:




Reducir el costo de construcción del hormigón Obtener ciertas propiedades en el hormigón más efectivamente que por otros medios Asegurar la calidad del hormigón durante la mezcla, transporte, fundido y curado, en condiciones climáticas adversas Enfrentar ciertas emergencias durante las operaciones con el hormigón




Aumenta la durabilidad (en ciclos de hielo y deshielo) Aumenta la menejabilidad de la mezcla.

Sin embargo, ellos reducen la resistencia del hormigón. Los principales incorporadores de aire son:




Sales de resina de madera Detergentes sintéticos Sales de lignina sulfonada, etc.

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Antes de entrar el próximo aditivo, recuerden!








La manejabilidad depende principalmente de la cantidad de agua. La resistencia depende principalmente de la relación agua/cemento (w/c). El costo depende principalmente de la cantidad de cemento.

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Reductores de agua




Se usan para minimizar la cantidad de agua necesaria para la manejabilidad de la mezcla. Ellos aumentan la mobilidad de las particulas de cemento en la mezcla. Teniendo en cuenta las tres variables que son afectadas [asentamiento, relación agua/cemento y costo], lo que se puede obtener con un reductor de agua son:




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Añadiendo el reductor de agua aumenta el asentamiento (mejor manejabilidad) Añadiendo el reductor de agua, se puede usar menos agua y por lo tanto aumenta la resistencia Añadiendo el reductor de agua se puede disminuir la cantidad de cemento por lo tanto la mezcla es económica. 24

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Usos del reductores de agua (WRA) 28 day strength > A Workability = B

Superplastificantes


28 day strength > A + WRA - water

Workability = B




28 day strength = A




+ cement 28 day strength = A Workability = B

- water - cement + WRA

Workability = B




+ cement + water

+ WRA

28 day strength = A

28 day strength = A

Workability > B

Workability > B




Se llaman tambien reductores de alto rango. Aumentan grandemente el flujo del hormigón fresco o reducen la cantidad de agua necesaria para obtener una consistencia dada. Se puede lograr asentamientod de 8-10”. La reducción de agua varia entre el 12-40%. Gracias a los superplastificantes se ha podido conseguir hormigones de alta resistencia. Con el superplastificante, el tiempo en que la mezcla es manejable disminuye drásticamente.

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Usos de superplastificantes







¿Cual da más trabajo?

Cuando se necesita una relación w/c baja. Cuando se funden secciones finas. Cuando se funde donde hay barras de refuerzo escasamente espaciadas. Cuando se funde hormigón bajo el agua. Cuando se funde utilizando bombas. Cuando consolidar el hormigón es dificíl Vaciado de hormigon en losa (método tradicional)

Vaciado de hormigon en losa con superplastificante

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Aditivos controladores de hidratacion

Retardadores















Usos:




Para anular el efecto de altas temperaturas. Para transportar el hormigón distancias considerables. Para dar más tiempo a un acabado especial.

Los retardadores reducen la resistencia inicial del hormigón. Algunos retardadores incorporan aire y aumentan la manejabilidad. Otros retardadores reducen el tiempo entre el fraguado inicial y final. 29





Paran y/o reactivan el proceso de hidratacion. Tienen dos partes: un estabilizador y un activador. Pueden parar la hidratacion por hasta 72 horas. Son utiles para extender el uso de hormigon ready-mix (preparado en planta).

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Aceleradores




Se usan para desarrollar la resistencia inicial del hormigón a una mayor velocidad. Pero la resistencia final no varia. Usos:









Aceleradores (cont)







Reducir el tiempo antes que las operaciones de acabado empiecen. Reducir el tiempo de curado. Aumentar la velocidad de ganancia de resistencia. Sellar pérdidas bajo presión hidráulica.









El más utilizado es el cloruro de calcio (CaCl2). En algunas condiciones no conviene usar cloruro de calcio.










Son desperdicios de procesos industriales. Mejoran propiedades del hormigon y solucionan el problema de desperdicio. Pueden usarse en adicion, o como substituto parcial del cemento. Los mas usados son: Fly Ash (Ceniza volante) Escoria de alto horno.
Silica fume (microsilica)
Pozolanas naturales

















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Cemento tipo III Aumentar el contenido de cemento. Curar el hormigón a altas temperaturas. Usar otros aceleradores químicos.

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Fly Ash

Aditivos Cementicios Suplementarios


Hormigón es pretensado. Hormigón contiene aluminio. Hormigón está sujeto a reacción alcalí-sílica. Hormigón está en contacto con agua se suelos que contienen sulfatos. Hormigón se funde bajo altas temperaturas. Applicaciones masivas de hormigón

Alternativas al uso de cloruro de calcio:


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No debe usarse cloruro de calcio cuando:

Es un subproducto del proceso de combustion de carbon en plantas generadoras de electricidad. El fly ash es extraido de las camaras de combustion y se enfria formandose esferas. La forma esferica aumenta la manejabilidad de la mezcla. Extiende el proceso de hidratacion, consiguiendose mayor resistencia y menor porosidad. 34

Fly Ash (cont)


El menor calor de hidratacion reduce la ganancia de resistencia inicial, pero permite una ganancia mas alla de lo que el cemento comun puede lograr.

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In this photograph, high-fly-ash concrete is used without a secondary finish.

Escoria de Alto Horno







Subproducto de desperdicio del proceso de produccion del acero. Para hidratarse necesita agua y un activador (NaOH o CaOH), ambos suplidos por el cemento. La escoria molida de alto horno se ha usado como material cementicio desde los 1900s. Puede substituir entre 30% y 45% del cemento.

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Escoria de Alto Horno

Silica Fume










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Subproducto del proceso de produccion de metal de silicon o aleaciones de ferrosilicon. Es un producto puzzolanico muy reactivo. El hormigon hecho con SF tiene alta resistencia y es muy durable. Puede reducir la corrosion causada por la sal. Es altamente resistente a la penetracion de iones de cloruro. 42

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Puzolanas naturales

Silicon metal and alloys are produced in electric furnaces as shown in this photograph










Una puzolana es un material que en sí no posee propiedades cementicias, Pero finamente partida y en presencia de agua, reacciona con el hidróxido de calcio para formar compuestos cementicios. Han sido usados desde hace 2000 años.

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Una de las más antiguas construcciones en ceniza volcanica

Ceniza volcanica

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Efectos de aditivos cementicios suplementarios Propiedad

Efecto

Requerimiento de agua Contenido de aire

Fly ash lo reduce. Silica fume lo aumenta.

Manejabilidad

Fly ash, escoria molida aumentan manejabilidad. Silica fume lo reduce Fly ash lo reduce. Silica fume no lo afecta, excepto con plastificante (lo aumenta) Fly ash, puzolanas y escoria molida lo aumentan.

Hidratacion Tiempo de fraguado

Aditivos especiales





Fly ash y silica fume lo disminuyen







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Agentes de manejabilidad Inhibidores de corrosión Agentes selladores Agentes reductores de permeabilidad Aditivos fungicidas, germicidas, e insecticidas. Ayudas de bombeo. Ayudas para adherencia. Ayudas para grouting. Agentes colorantes. Reductores de encogimiento. 48

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