Granulometría del Agregado Fino

Los requisitos de las normas ASTM C 33 o AASHTO M6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP400.037, UNIT 84 permiten un rango relativamente amplio en la granulometría del agregado fino, pero las especificaciones de otras organizaciones, a veces, son más restrictivas. La granulometría más deseable para el agregado fino depende del tipo de obra, si la mezcla es rica y del tamaño máximo del agregado grueso. En mezclas más pobres, o cuando se usan agregados gruesos
de pequeñas dimensiones, es conveniente, para que se logre una buena trabajabilidad, que la granulometría se
aproxime al porcentaje máximo recomendado que pasa por cada tamiz. En general, si se mantiene constante la relación agua-cemento y se elige correctamente la relación agregado fino-agregado grueso, se puede usar un amplio rango de granulometrías, sin efectos considerables sobre la resistencia. Sin embargo, algunas veces, se logrará la mayor economía con el ajuste de la mezcla de concreto para que se adapte a la granulometría de los agregados locales.

La granulometría de los agregados finos de acuerdo con las normas ASTM C 33 (AASHTO M6), COVENIN 277,  IRAM 1512, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP400.037, UNIT 84, es generalmente satisfactoria para la mayoría de los concretos. Los límites de estas normas, con respecto a la
granulometría se enseñan en la Tabla 5-3.

Tabla 5-3. Límites granulométricos del Agregado Fino (ASTM C 33/AASHTO M6, COVENIN 277, IRAM1512, Nch 163, NMX-C-111, NTC 174 y NTP400.037)

† Las aberturas de los tamices especificados en la Nch 163 son,
respectivamente, 10 mm, 5 mm, 2.5 mm, 1.25 mm, 0.630 mm,
0.315 mm y 0.160 mm.
* De acuerdo con la ASTM C 33 y la NTP400.037 este límite es del
5% a 30%. De acuerdo con la COVENIN 277, el límite de
porcentaje que pasa en este tamiz es del 8%.
** De acuerdo con la ASTM C 33 y la NTP400.037 este límite es del
0% al 10%.

Las especificaciones de la AASHTO, de la NMX y de la NTC permiten que los porcentajes mínimos (por masa) de material que pasa en los tamices de 300 µm (No.50) y 150µm (No.100) se reduzcan a 5% y 0%, respectivamente, desde que:

1.Se use el agregado en un concreto con aire incluido (incorporado) que contenga más de 237 kg de cemento por m3 de concreto (400 lb de cemento por yarda3 de concreto) y más del 3% de contenido de aire (AASHTO y NTC). En el caso de México, la mezcla debe contener más de 250 kg/m3 de cemento.

2.Se use el agregado en un concreto que contenga más de 297 kg de cemento por m3 de concreto (500 lb de cemento por yarda3 de concreto), cuando el concreto no tenga aire incluido (AASHTO y NTC). En el caso de México, la mezcla debe contener más de 300 kg/m3 de cemento.

3.Se use material cementante suplementario aprobado, a fin de suministrar la deficiencia de material que pasa
en los dos tamices.  Otros requisitos de la ASTM C 33 (AASHTO M6), COVENIN 277, IRAM 1501 (parte II), NMX-C-111 y NTC174 son:

1.El agregado fino no debe contener más del 45% de material retenido entre cualquiera dos tamices normal- izados consecutivos.

2.El módulo de finura debe ser mayor que 2.3 y menor que 3.1, y no debe variar más que 0.2 del valor típico
de la fuente del agregado. Si se excede este valor, el agregado se debe rechazar, a menos que se hagan ajustes adecuados en la proporción entre los agregados fino y grueso.

Las cantidades de agregado fino que pasan a través de los tamices de 300 µm (No. 50) y de 150 µm (No. 100) afectan la trabajabilidad, la textura superficial, el contenido de aire y el sangrado (exudación) del concreto. La mayoría de las especificaciones permite un porcentaje que pasa en el tamiz 300 µm (No. 50) del 5% al 30%. El límite más bajo puede ser suficiente para condiciones fáciles de colocación o donde se acabe el concreto mecánicamente, como ocurre en los pavimentos. Sin embargo, en pisos acabados manualmente, o donde se desee una textura superficial lisa, se debe usar un agregado fino con, por lo menos, 15% de masa que pase en el tamiz 300 µm (No. 50) y 3% o más en el tamiz 150 µm (No. 100).

Módulo de Finura. El módulo de finura (MF) tanto del agregado fino como del grueso se calcula, se acuerdo con ASTM C 125, COVENIN 255, IRAM 1627, NCh 165, NMX-C-111, NTC 385, NTE 0694:83, NTP400.011 y UNIT-NM 2, sumándose los porcentajes acumulados de la masa retenida en cada uno de los tamices de la serie especificada y dividiéndose esta suma por 100. La serie especificada de tamices para la determinación del MF es: 150 µm (No. 100), 300 µm (No. 50), 600 µm (No. 30), 1.18 mm (No. 16),
2.36 mm (No. 8), 4.75 mm (No. 4), 9.5 mm (3⁄8 pulg.), 19.0 mm (3⁄4pulg.), 37.5 mm (11⁄2 pulg.), 75 mm (3 pulg.) y 150 mm (6pulg.). La serie especificada de tamices para la determinación del MF en la norma NMX-C-111 no incluye el tamiz de malla 150 mm (6 pulg.).

El MF es un índice de finura del agregado – cuanto mayor el MF, más grueso es el agregado. Agregados con
granulometrías diferentes pueden tener el mismo MF. El MF de los agregados finos es útil para estimar las proporciones de agregados fino y grueso en el concreto. Un ejemplo de como se determina el MF del agregado fino (de un análisis granulométrico asumido) se presenta en la Tabla 5-4.

La degradación del agregado fino debido al rozamiento y a la abrasión decrece el MF y aumenta la cantidad
de materiales más finos que 75 µm (No. 200).

Tabla 5-4. Determinación del Módulo de Finura de Agregados Finos

CARACTERÍSTICAS DE LOS AGREGADOS

Las características más importantes de los agregados para concretose presentan en la Tabla 5-2 y la mayoría se discute en la próxima sección:

Tabla 5-2. Características y Ensayos de los Agregados

Agregados para Concreto.

La importancia del uso del tipo y de la calidad correctos del agregado (árido) no se puede subestimar. Los agregados fino y grueso ocupan cerca del 60% al 75% del volumen del concreto (70% a 85% de la masa) e influyen fuertemente en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido, en las proporciones de la mezcla y en la economía del concreto. Los agregados finos (Fig. 5-1) generalmente consisten en arena natural o piedra triturada (partida, machacada, pedrejón) con la mayoría de sus partículas menores que 5 mm (0.2 pulg.). Los agregados gruesos (Fig. 5-2) consisten en una o en la combinación de gravas o piedras trituradas con partículas predominantemente mayores que 5 mm (0.2 pulg.) y generalmente entre 9.5 mm y 37.5 mm (3⁄8 y 11⁄2 pulg.) Algunos depósitos naturales de agregado, llamados de gravas de mina, consisten en grava y arena que se pueden usar inmediatamente en el concreto, después de un procesamiento mínimo. La grava y la arena naturales normalmente se excavan o dragan de la mina, del río, del lago o del lecho marino. La piedra triturada se produce triturando la roca de cantera, roca redondeada, guijarros o gravas grandes. La escoria de alto horno enfriada al aire y triturada también se usa como agregados fino y grueso.  

Fig. 5-1. Primer plano de agregado fino (arena). (69792)

Fig. 5-2. Agregado grueso. Grava redondeada (izquierda) y
piedra triturada (derecha).

Los agregados frecuentemente se lavan y se gradúan en la mina o en la planta. Se puede esperar alguna variación en el tipo, calidad, limpieza, granulometría (gradación), contenido de humedad y otras propiedades. Cerca de la mitad de los agregados gruesos en el concreto de cemento portland en Norteamérica es grava, la mayoría del resto es piedra triturada.

Los agregados naturales para concreto son una mezcla de rocas y minerales (véase Tabla 5-1). Mineral es una sustancia sólida natural con una estructura interna ordenada y una composición química que varía dentro de límites estrechos. Las rocas, que se clasifican según su origen en ígneas, sedimentarias o metamórficas, generalmente se componen con varios minerales. Por ejemplo, el granito contiene cuarzo, feldespato, mica y otros pocos minerales, la mayoría de las calizas consiste en calcita, dolomita y pequeñas cantidades de cuarzo, feldespato y arcilla. El intemperismo y la erosión de las rocas producen partículas de piedra, grava, arena, limo y arcilla.

Tabla 5-1. Rocas y Constituyentes Minerales en los
Agregados

 

Fig. 5-3. Agregado ligero. Arcilla expandida (izquierda) y
esquisto expandido (derecha).

El concreto reciclado o el concreto de desperdicio triturado es una fuente viable de agregados y una realidad económica, especialmente donde buenos agregados son escasos. Se pueden utilizar equipos convencionales de trituración de piedras y se han desarrollado nuevos equipos para reducir el ruido y el polvo.

Los agregados deben cumplir con algunas normas para que su uso en ingeniería se optimice: deben ser partículas limpias, duras, resistentes, durables y libres de productos químicos absorbidos, revestimiento de arcilla u otros materiales finos en cantidades que puedan afectar la hidratación y la adherencia de la pasta de cemento. Las partículas de agregados friables (disgregables o desmenuzables) o capaces de rajarse son indeseables.

Se deben evitar agregados que contienen cantidades apreciables de esquisto u otras rocas esquistosas, de materiales blandos y porosos. Se deben evitar, en especial, algunos tipos de cherts, pues tienen poca resistencia al intemperismo y causan defectos superficiales tales como las erupciones.

Solamente la identificación de los constituyentes de un agregado no puede fornecer una base para el pronóstico del agregado en servicio. La inspección visual normalmente revela debilidades en los agregados gruesos. Los registros de servicio son inestimables en la evaluación de los agregados. En la ausencia de registros de desempeño, se deben ensayar los agregados antes que se los use en el concreto. Los agregados más frecuentemente utilizados  arena, grava y escoria de alto horno enfriada al aire – producen concretos frescos de peso normal con densidad a granel (peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria, peso específico) de 2200 a 2400 kg/m3 (140 a 150 lb/pies3).

Agregados de esquisto, arcilla, pizarra y escoria expandidos (Fig. 5-3) se usan para producir estructuras de concreto ligero (liviano) con la densidad del concreto fresco variando de cerca de 1350 a 1850 kg/m3 (90 a 120 lb/pies3).

Otros materiales ligeros tales como la piedra pomez (pumita), cagafierro, perlita, vermiculita y diatomita se emplean para producir concreto ligero aislante con densidades que varían de 250 a 1450 kg/m3 (15 a 90 lb/pies3).

Materiales pesados, tales como barita, limonita, magnetita, ilmenita, hematina y pelotas de hierro se usan para producir concreto de densidad elevada (concreto de gran peso) y blindaje para la radiación (ASTM C 637 y C 638).

Solamente los agregados de peso normal van a ser presentados en este capítulo. Consulte el Capítulo 18 para los tipos especiales de agregados y concretos.

Los agregados de peso normal deben atender a los requisitos de la ASTM C 33 o AASHTO M 6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP400.037, UNIT 84 y UNIT 102. Estas especificaciones limitan las cantidades permisibles de sustancias deletéreas y proveen requisitos para las características de los agregados. Se determina el cumplimiento con estos requisitos a través de varias pruebas normalizadas que se van a citar en las próximas secciones y tablas. Sin embargo, el facto que el agregado cumple con las normas ASTM C 33 o AASHTO M 6/M80, COVENIN 277, IRAM 1512, IRAM 1531, IRAM 1627, NCh163, NMX-C-111, NTC 174, NTP400.037, UNIT 84, UNIT 102 necesariamente no garantiza que el concreto estará libre de defectos.

La cantidad deseable de aire, agua, cemento y agregado fino (o sea el mortero) debe ser cerca del 50% al 65% del volumen absoluto (45% a 60% de la masa) del concreto para que se tenga una consolidación adecuada. Los agregados redondeados, como las gravas, requieren cantidades un poco menores, mientras que agregados triturados requieren cantidades un poco más elevadas. El contenido de agregado fino es normalmente del 35% al 45% de la masa o volumen del contenido total de agregado.

Cemento Caliente.

Cuando se pulveriza el clínker de cemento en el molino, la fricción genera calor.

Entonces, el cemento recién molido está aún caliente cuando se lo coloca en los silos de almacenamiento en las plantas de cemento. Este calor se disipa lentamente, por lo tanto en el verano, cuando la demanda de cemento es mayor, el cemento puede estar todavía caliente cuando enviado a una planta de concreto premezclado o a la obra. Ensayos han mostrado que el efecto del cemento caliente en la trabajabilidad y en el desarrollo de la resistencia del concreto no es relevante (Lerch 1955). Las temperaturas del agua de mezclado y de los agregados son mucho más importantes para la temperatura final del concreto.

Almacenamiento del Cemento.

El cemento es un material sensible a la humedad; si mantenido seco, va a retener su calidad indefinidamente.

El cemento almacenado en contacto con el aire húmedo o humedad fragua más lentamente y tiene menos resistencia que un cemento mantenido seco. En la planta de cemento y en las instalaciones de las plantas de concreto premezclado, el cemento a granel se almacena en silos. La humedad relativa en los almacenes o cobertizos usados para guardar los sacos de cemento debería ser la más baja posible. Todas las fisuras y aberturas de los muros y techos deberían ser cerradas. No se debería almacenar los sacos de cemento en pisos húmedos pero sí deben descansar sobre tarimas (palets, estrados). Los sacos se deben apilar juntos para reducir la circulación del aire, pero no se deben nunca apilar cerca de los muros externos. Los sacos que se almacenen por un largo periodo se deben cubrir con lonas (mantas) u otra cobertura impermeable.

En pequeñas obras donde el cobertizo no esté disponible, los sacos se deben colocar sobre plataformas de madera elevadas (palet) sobre el suelo. Las coberturas impermeables deben cubrir toda la pila y extenderse para allá de los bordes de la plataforma para prevenir que la lluvia llegue hasta al cemento y a la plataforma (Fig. 2-54).

Las plataformas mojadas pueden dañar lo sacos inferiores.

El cemento almacenado por periodos prolongados puede sufrir lo que se llama de “compactación por almacenamiento” o “compactación de bodega”. Esto se corrige

Ensayos Virtuales del Cemento.

La tecnología computacional permite, hoy en día, la simulación de los compuestos del cemento (Fig. 2-51), su hidratación, el desarrollo de su microestructura y de sus propiedades físicas. Se pueden observar las combinaciones de materiales, compuestos del cemento o distribución del tamaño de las partículas para la predicción del desempeño del cemento. Algunas de las propiedades que se pueden pronosticar son calor de hidratación, calor adiabático, resistencia a compresión, tiempo de fraguado, reología (tensión de escurrimiento y viscosidad), percolación, porosidad, difusividad, conductividad térmica, conductividad eléctrica, carbonatación, propiedades elásticas, perfil de secado, susceptibilidad a los mecanismos de degradación, retracción autógena y volúmenes de los reactivos y de los productos de hidratación en función del tiempo. Se pueden observar los efectos de varios contenidos de sulfato y álcalis, juntamente con la interacción de los materiales cementantes suplementarios y de los aditivos químicos. 

Fig. 2-51. Imagen en dos dimensiones del cemento portland.
Los colores son: rojo – silicato tricálcico, azul claro - silicatodicálcico, verde  – aluminato tricálcico, amarillo  – ferro-aluminato tetracálcico, verde claro – yeso, blanco – cal libre,azul oscuro – sulfato de potasio y magenta – periclase. Laimagen ha sido obtenida por una combinación de SEM e imágenes de Rayo X (NIST 2001).

Fig. 2-52. Los cementos portland se despachan a granel de los silos en las plantas para el consumidor por (de la izquierda para la derecha) carril, camión y agua.

El modelo computacional predice el desempeño sin los gastos y el tiempo necesarios para los ensayos físicos (NIST 2001).

Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) del Concreto.

En la calorimetría diferencial de barrido (DSC), se mide directamente el calor absorbido o liberado en función de la temperatura y del tiempo y se compara con una referencia.

Una ventaja de los métodos DTAy DSC es que no se requiere ningún cambio de masa, entonces si una muestra se funde sin vaporizarse, aún se pueden tomar las medidas.

De la misma manera que en DTA, se puede emplear el DSC para la determinación de que compuestos están presentes en las diferentes etapas de la hidratación. La Figura 2-50 muestra dos curvas diferentes de calorimetría de barrido o termogramas. La curva superior (a) presenta una pasta de cemento portland después de 15 minutos de hidratación. Los picos en la curva entre 100°C y 200°C son resultado de la descomposición endotérmica (absorbición de calor) del yeso y de la etringita, mientras que el pico a 270°C se debe al sulfato de calcio y potasio hidratado.

Fig. 2-50. Termograma de calorimetría diferencial de barridode una pasta de cemento después  de (a) 15 minutos y (b)24 horas de hidratación. C = hidróxido de calcio; E =etringita; G = yeso y S = singenita.

Cerca de los 450°C, se puede observar un pico menor, debido al hidróxido de calcio.

La curva inferior (B) en la Figura 2-50 enseña la misma pasta de cemento después de 24 horas de hidratación.

Observe la desaparición del pico debido a la etringita, la reducción del tamaño del pico debido a singenita y el crecimiento de los picos debidos a la etringita y al hidróxido de calcio. El tamaño de las áreas bajo las curvas está relacionado a la cantidad de material en la muestra.

Análisis por Termogravimetría (TGA) del Concreto.

El análisis por termogravimetría (TGA) es una técnica que mide la masa de una muestra a medida que se calienta (o se enfría) a una tasa controlada. El cambio de masa de la muestra depende de la composición de la muestra, de la temperatura, de la tasa de calentamiento y el tipo del gas en el horno (aire, oxígeno, nitrógeno, argón u otro gas).

Un cambio de masa en una temperatura específica identifica la presencia de un compuesto químico particular. La magnitud del cambio de masa indica la cantidad del compuesto en la muestra.

El agua libre de la muestra se evapora, disminuyendo la masa, cuando la temperatura se eleva de la temperatura ambiente hasta 100°C. La muestra también pierde cierta cantidad de agua adsorbida en los productos de hidratación, principalmente el agua en los aluminatos de calcio.

Entre 100°C y 400°C, el agua combinada en los productos hidratados, principalmente en el gel de C-S-H, se pierde, juntamente con el resto del agua en los aluminatos de calcio. Entre 400°C y 500°C, el hidróxido de calcio fornece una pérdida de masa muy distinta, pues se decompone en óxido de calcio (sólido) y vapor de agua. La canti- dad de la pérdida de masa se puede usar para la determinación de la cantidad de hidróxido de calcio presente originalmente en la muestra. Arriba de los 500°C, se puede perder más una pequeña cantidad de agua de los productos de hidratación. Las fases carbonatadas pierden dióxido de carbono a aproximadamente 800°C.

Con la determinación de la cantidad de hidróxido de calcio, un TGAfornece una indicación del grado de hidratación de una muestra. Se puede obtener la reactividad de las puzolanas por la evaluación del desaparecimiento del hidróxido de calcio debido a la reacción puzolánica.

Análisis Térmico del Concreto.

Las técnicas de análisis térmico han están disponibles hace muchos años para el análisis de las reacciones hidráulicas y de las interacciones del cemento tanto con adiciones minerales como con aditivos químicos (Figs. 2-45 y 2-49).

Tradicionalmente, el análisis térmico no hacía parte de los programas de ensayos de rutina. Sin embargo, recientemente, el análisis térmico ha ganado popularidad en el análisis de las propiedades físicas y químicas de los materiales cementantes y de las materias primas para la fabricación del cemento (Bhatty 1993, Shkolnik y Miller 1996, Tennis 1997).

Fig. 2-49. Equipamiento de análisis térmico.

En el análisis térmico, se calienta una pequeña muestra a una tasa controlada hasta altas temperaturas (hasta 1000°C o más). Amedida que los compuestos reaccionan o se decomponen, se registran los cambios que ocurren en función del tiempo y de la temperatura. Con el aumento de la temperatura de la muestra, hay una serie de cambios, tales como cambios de la masa, temperatura, energía o estado de la muestra. Un sólido puede derretirse, vaporizarse, decomponerse en un gas con sólidos residuales o reaccionar con un gas (a temperaturas elevadas) para formar un sólido diferente o un sólido diferente y otro gas.

Los usos más comunes del análisis térmico incluyen:

•Identificación de cuales productos de hidratación se formaron y en que cantidades

•Resolución de problemas de agarrotamiento prematuro

•Identificación de la presencia de impurezas en las materias primas

•Determinación del grado de envejecimiento del clínker o del cemento

•Estimación de la reactividad de las puzolanas y escorias para su empleo en cementos adicionados

•Identificación de la cantidad de materia orgánica y sus variaciones en las canteras

•Cuantificación del grado de carbonatación de una muestra expuesta

•Análisis de problemas de durabilidad en el concreto.

Abajo, se discuten algunas técnicas específicas de análisis térmico.

Densidad Aparente del Concreto.

La densidad aparente del cemento se define como el peso de las partículas de cemento más el aire entre las partículas por unidad devolumen. La densidad aparente del cemento puede variar considerablemente, dependiendo de como se manosea y almacena el cemento. Si el cemento portland está muy suelto, puede pesar sólo  830 kg/m3 (52 4 lb/pies3), mientras que cuando se consolida el cemento a través de vibración, el mismo cemento puede pesar tanto como 1650 kg/m3 (103 4 lb/pies3) (Toler 1963). Por esta razón, las buenas prácticas indican que se debe medir el cemento en masa y no en volumen (Fig. 2-48).

Tabla 2-20. Normas para la Determinación del Peso Específico y de la Densidad

Fig. 2-48. Los dos recipientes contienen 500 gramos de
polvo de cemento seco. Ala izquierda, el cemento ha sido
solamente colocado en el recipiente. Ala derecha, el
cemento ha sido ligeramente vibrado  – imitando la
consolidación durante el transporte o la compactación
mientras que se lo almacena en los silos. La diferencia del
20% del volumen aparente enseña la necesidad de medirse
el cemento por su peso y no por su volumen, cuando de la
mezcla del concreto.

Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Concreto.

El peso específico del cemento (densidad, peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria) se define como el peso de cemento por unidad de volumen de los sólidos o partículas, excluyéndose el aire entre las partículas. La masa específica se presenta en megagramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico (el valor numérico es el mismo en las dos unidades). El peso específico del cemento varía de 3.10 hasta 3.25, con promedio de 3.15 Mg/m3. El cemento portland de alto horno y el portland puzolánico tienen pesos específicos que varían de 2.90 hasta 3.15, con promedio de 3.05 Mg/m3. El peso específico del cemento (Tabla 2-20) no es una indicación de la calidad  del cemento, su principal uso es en los cálculos de las proporciones de la mezcla.

Fig. 2-47. La densidad del cemento (peso específico) se
puede determinar por (izquierda) el uso del frasco vo-
lumétrico de Le Chatelier y queroseno (kerosene) o por
(derecha) el uso de un picnómetro de helio

Para el proporcionamiento de la mezcla, puede ser más útil expresar la densidad como densidad relativa, también llamada de gravedad específica o densidad absoluta. La densidad relativa es un número adimensional determinado por la división de la densidad del cemento por la densidad del agua a 4°C, la cual es 1.0 Mg/m3 (1.0 g/cm3, 1000 kg/m3 o 62.4 lb/pies3).

Se supone la densidad relativa del cemento portland como siendo 3.15 para su uso en los cálculos volumétricos del proporcionamiento de la mezcla de concreto. Como las proporciones de la mezcla traen las cantidades de los ingredientes del concreto en kilogramos o libras, se debe multiplicar la densidad relativa por la densidad del agua a 4°C, establecida como 1000 kg/m3 (62.4 lb/pies3), para la determinación de la densidad o el peso específico de las partículas de cemento en kg/m3 o lb/pies3.

Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego).

La pérdida por calcinación (pérdida por ignición) del cemento portland se determina por el calentamiento de una muestra de cemento con masa conocida a una temperatura de 900°C a 1000°C, hasta que se obtenga la constancia de masa. Se determina entonces la pérdida de masa de la muestra. Normalmente, una gran pérdida por ignición es una indicación de prehidratación y carbonatación, las cuales pueden ser resultantes del almacenamiento prolongado o de manera incorrecta, o de la adulteración durante el transporte. El ensayo de pérdida por calcinación se realiza de acuerdo con las normas de ASTM C 114 (AASHTO T 105), COVENIN 0109, IRAM 1504, NCh147, NGO 41003 h18, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 184, NTE 0160, NTP334.086 y UNIT-NM 18 (Figura 2-46).

 Fig. 2-46. Ensayo de pérdida por ignición del cemento.

Calor de Hidratación del Concreto.

El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de la composición química del cemento, siendo el C3Ay el C3S los compuestos más importantes para la evolución de calor. Relación agua-cemento, finura del cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumentan el calor de hidratación. Apesar del cemento portland poder liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas (Copeland y otros 1960). El calor de hidratación se ensaya según las normas ASTM C 186, COVENIN 0495, IRAM 1617, IRAM 1852, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 117, NTE 0199, NTP334.064, UNIT 326 o por calorímetro de conducción (Fig. 2-44).

Fig. 2-44. El calor de hidratación se puede determinar por (izquierda) ASTM C 186 y por (derecha) calorímetro de conducción.

Tabla 2-19. Calor de Hidratación de Cementos Portland de los EE.UU. Seleccionados de la Década de 90,según la Norma ASTM C 186, en kJ/kg*

 

Para la mayoría de los elementos de concreto, tales como losas, el calor generado no trae preocupación porque el calor se disipa rápidamente en el ambiente. Sin embargo, en estructuras de grandes volúmenes, con espesor mayor que un metro (yarda), la tasa y la cantidad de calor generado son importantes. Si este calor no se disipa rápidamente, puede ocurrir un aumento considerable de la temperatura del concreto. Este aumento de temperatura puede ser indeseable, pues después del endurecimiento a altas temperaturas, el enfriamiento no uniforme de la masa de concreto hasta la temperatura ambiente puede crear tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) indeseables.

Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado.

La Tabla 2.19 presenta valores de calor de hidratación para varios tipos de cemento portland. Estos datos limitados muestran que el cemento tipo III (ASTM C 150) tiene calor de hidratación más alto que los otros tipos de cemento, mientras que el tipo IV (ASTM C 150) tiene el calor más bajo. También se debe observar la diferencia en la generación de calor entre el tipo II (ASTM C 150) normal y el moderado calor de hidratación tipo II (ASTM C 150).

Los cementos no generan calor a una tasa constante. La producción de calor durante la hidratación de un cemento portland tipo I (ASTM C 150) se presenta en la Figura 2-45.

El primer pico presentado en el perfil de calor se debe a la liberación de calor por las reacciones iniciales de los compuestos del cemento, tales como aluminato tricálcico.

Algunas veces llamado de calor de mojado, este primer pico de calor se sigue por un periodo de baja reactividad conocido como periodo de incubación o inducción.

Después de algunas horas, aparece un segundo pico atribuido a la hidratación del silicato tricálcico, señalizando el comienzo del proceso de endurecimiento de la pasta.

Finalmente, hay un tercer pico debido a la reacción renovada del aluminato tricálcico; su intensidad y localización dependen normalmente de la cantidad de aluminato tricálcico y de sulfato en el cemento. En el ensayo de calorimetría, las primeras medidas de calor se obtienen aproximadamente 7 minutos después de la mezcla de la pasta; como resultado, sólo se puede observar la inclinación descendente del primer pico

(Etapa 1, Fig. 2-45). El segundo pico (pico de C3S) normalmente ocurre entre 6 y 12 horas. El tercer pico (pico de C3Arenovado en la conversión de AFt para AFM) ocurre entre 12 y 90 horas. Esta información puede ser útil en el control del aumento de temperatura en el concreto masivo (Tang 1992).

Cuando es necesario minimizar la generación de calor en el concreto, los diseñadores deben escoger un cemento con más bajo calor, tales como el cemento portland tipo II (ASTM C 150, AASHTO M 85), con la opción de los requisitos de moderado calor de hidratación. Como ni todos los cementos tipo II se fabrican para el desarrollo de un nivel moderado de calor, la opción de moderado calor de hidratación se debe solicitar especialmente. El cemento de bajo calor de hidratación se puede utilizar para el control de la subida de la temperatura, pero raramente está disponible.

Fig. 2-45. Evolución del calor como función del tiempo para pasta de cemento. La etapa 1 es el calor de humedecimiento o de la hidrólisis inicial (hidratación del C3Ay del C3S). La etapa 2 es el período de incubación relacionado al tiempo de fraguado inicial. La etapa 3 es una reacción acelerada de los productos de hidratación que determina la tasa de endurecimiento y el tiempo de fraguado final. En la etapa 4 hay una desaceleración de la formación de los productos de hidratación y determina la tasa de aumento de resistencia inicial. La etapa 5 es lenta, caracterizada por la formación estable de productos de hidratación, estabilizando la tasa de aumento de resistencia a edades avanzadas.

Los cementos de moderado calor y bajo calor también están disponibles en las especificaciones de la ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157. El empleo de los materiales cementantes suplementarios es también una opción para reducir la subida de temperatura.

La ASTM C 150 (AASHTO M 85), la COVENIN 28, la NCR40, NTP334.009, NTP334.090 tienen tanto un enfoque químico como físico para el control del calor de hidratación. Se puede especificar cualquiera de los enfoques, pero no ambos. La ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157, IRAM 50001, NMX–C–414–ONNCCE y NTP 334.082 usan límites físicos. Para más informaciones,consulte PCA(1997).

Resistencia a Compresión del Concreto.

La resistencia a compresión es aquélla obtenida por la prueba, por ejemplo, de cubos o cilindros de mortero de acuerdo con las normas nacionales de la Tabla 2.18. La Figura 2-41 enseña el ensayo según la norma ASTM C 109. Se debe preparar y curar los especimenes de acuerdo con la prescripción de la norma y con el uso de arena estándar.

El tipo de cemento, o más precisamente, la composición de los compuestos y la finura del cemento influyen fuertemente la resistencia a compresión. Algunas normas como, por ejemplo, la ASTM C 1157, la IRAM 50000, la MNX-C-414-ONNCCE y la NTP334.082, traen los requisitos de ambas resistencias, la mínima y la máxima, mientras que la ASTM C 150 y la ASTM C 595 (AASHTO M 85 y M 240), bien como la mayoría de las normas de los países Latinoamericanos, presentan solamente los requisitos de resistencia mínima. Los requisitos de resistencia mínima de las especificaciones de cemento se cumplen por la mayoría de los fabricantes de cemento. 

Fig. 2-41. Se hacen cubos de 50 mm (2 pulg.) (izquierda) y se
los prensan para la determinación de las características de
resistencia del cemento. 

Tabla 2.18. Normas para la Determinación de la Resistencia del Cemento

Fig. 2-42. Desarrollo relativo de la resistencia de cubos de
morteros de cemento como un porcentaje de la resistencia
a los 28 días. Los promedios fueron adaptados de Gebhardt
1995.

Fig. 2-43. Desarrollo de resistencia de cubos de mortero de cemento portland de varias estadísticas combinadas. La línea rayada representa los valores promedios y el área rayada, la gama de valores (adaptado de Gebhardt 1995).

Pero, no se debe asumir que dos tipos de cemento que tengan los mismos requisitos de resistencia van a producir morteros o concretos con la misma resistencia, sin que se hagan modificaciones de las proporciones de la mezcla.

En general, la resistencia del cemento (basada en ensayos en cubos de mortero) no se la puede usar para el pronóstico de la resistencia del concreto con un alto grado de precisión, debido a las muchas variables en las características de los agregados, mezclado del concreto, procedimientos de construcción y condiciones del medioambiente en la obra (Weaver, Isabelle y Williamson 1970 y Dehayes 1990). Las Figuras 2-42 y 2-43 ilustran el desarrollo de la resistencia en morteros estándares, preparados con varios tipos de cemento portland. Word (1992) presenta las resistencias a largo plazo de morteros y concretos preparados con cemento portland y cemento adicionado. La uniformidad de la resistencia del cemento de una única fuente se puede determinar de acuerdo con los procedimientos, por ejemplo, de la ASTM C 917.

Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido).

El agarrotamiento prematuro (endurecimiento rápido) es el desarrollo temprano de la rigidez en las características de trabajabilidad o plasticidad de la pasta, mortero concreto de cemento. Esto incluye ambos fraguados, el falso y el rápido.

El falso fraguado se evidencia por la pérdida considerable de plasticidad, inmediatamente después del mezclado, sin ninguna evolución de calor. Desde el punto de vista de la colocación y manoseo, las tendencias de fraguado falso en el cemento no van a causar problemas, si se mezcla el concreto por un tiempo más largo que el usual o si el concreto es remezclado sin añadirle agua adicional antes de su transporte y colocación. El falso fraguado ocurre cuando una gran cantidad de sulfatos se deshidrata en el molino de cemento formando yeso. La causa del endurecimiento prematuro es la rápida cristalización o el entrelazamiento de las estructuras en forma de aguja con el yeso secundario. El mezclado complementario sin la adición del agua rompe estos cristales y restablece la trabajabilidad. La precipitación de etringita también puede contribuir para el falso fraguado.

El fraguado rápido se evidencia por una pérdida rápida de trabajabilidad en la pasta, mortero o concreto a una edad aún temprana. Esto es normalmente acompañado de una evolución considerable de calor, resultante principalmente de la rápida reacción de los aluminatos. Si la cantidad o forma adecuadas de sulfato de calcio no están disponibles para controlar la hidratación del aluminato de calcio, el endurecimiento es aparente. El fraguado rápido no se lo puede disipar, ni tampoco se puede recuperar la plasticidad por el mezclado complementario sin la adición de agua.

El endurecimiento correcto resulta de un equilibrio cuidadoso de los compuestos de sulfato y aluminato, bien como de temperatura y finura adecuadas de los materiales (las cuales controlan la hidratación y la tasa de disolución).

La cantidad de sulfato transformado en yeso tiene un efecto significante. Por ejemplo, con un cemento específico, 2% de yeso permitieron un tiempo de fraguado de 5 horas, mientras que 1% de yeso promovió el fraguado rápido y 3% permitieron el falso fraguado (Helmuth y otros 1995).

Los cementos se ensayan para agarrotamiento prematuro usando las pruebas del método de la pasta: ASTM C 451 (AASHTO T 186), COVENIN 0365, IRAM 1615, NMX-C 132-1997-ONNCCE, NGO 41014 h4, NTC 297, NTE 0875, NTP334.052; o las pruebas del método del mortero: ASTM C 359 (AASHTO T 185), NTC 225, NTE0201, NTP334.053. Sin embargo, estos ensayos no consideran todos los factores relacionados con el mezclado, colocación, temperatura y condiciones de obra que puedan causar endurecimiento temprano. Ellos tampoco consideran el agarrotamiento prematuro causado por las interacciones con los otros ingredientes del concreto. Por ejemplo, concretos mezclados por periodos muy cortos, menos de un minuto, tienden a ser más susceptibles al endurecimiento rápido (ACI 225).

Tiempo de Fraguado del Cemento.

El objetivo del ensayo del tiempo de fraguado es la determinación (1) del tiempo que pasa desde el momento de la adición del agua hasta cuando la pasta deja de tener fluidez y de ser plástica (llamado fraguado inicial) y (2) del tiempo requerido para que la pasta adquiera un cierto grado de endurecimiento (llamado fraguado final).

Para determinar si un cemento se fragua de acuerdo con los límites especificados en las especificaciones de cemento, los ensayos se realizan con el uso del aparato de Vicat (Tabla 2.16) (Fig. 2-38) o la aguja de Gillmore (Tabla 2.17) (Fig. 2-39).

 Fig. 2-38. El ensayo del tiempo
de fraguado en pasta usando la
aguja de Vicat. (23890)

 Fig. 2-39. El tiempo de fraguado determinado por la
aguja de Gillmore. (23892)

El ensayo de Vicat gobierna si no se especifica ningún ensayo por parte del comprador.

El inicio del fraguado de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado temprano y el final del fraguado no debe ocurrir muy tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta está o no sufriendo reacciones normales de hidratación. El sulfato (del yeso u otras fuentes) en el cemento regula el tiempo del fraguado, pero este tiempo también se afecta por la finura, relación agua-cemento y cualquier aditivo empleado. El tiempo de fraguado del concreto no tiene correlación directa con el de las pastas debido a la pérdida de agua para el aire o substrato (lecho), presencia de agregado y diferencias de temperatura en la obra (en contraste con las temperaturas controladas en el laboratorio).

La Figura 2-40 ilustra los promedios de los tiempos de fraguado para cementos portland.

Tabla 2-16. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Vicat

 Tabla 2-17. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Gillmore

  *Promedio de dos valores para el fraguado inicial y un
   valor para el fraguado final
**Promedio de dos valores para el fraguado final

Fig. 2-40. Tiempo de fraguado para cementos portland
(Gebhardt 1995 y PCA1996).

Consistencia del Cemento.

La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir.

Durante los ensayos de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, definidas como la penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat (ASTM C 187, AASHTO T 129, COVENIN 494, IRAM 1612, Nch151, NMX–C–057–1997– ONNCCE, NTC 110, NTE 0157, NTP334.074, UNIT-NM 43) (Fig. 2- 36). Se mezclan los morteros para obtenerse una relación agua-cemento fija o proporcionar una fluidez dentro de un rango prescrito.

La fluidez de los morteros se determina en una mesa de fluidez (mesa de caídas, mesa de sacudidas) como descrito en las normas ASTM C 230, ASTM C 1437, AASHTO M 152, COVENIN 0485, Nch 2257/1, NMX-C- 144, NTC 111, NTP 334.057 (Fig. 2-37). 

Ambos métodos, el de consistencia normal y el de fluidez, se usan para regular la cantidad de agua en las pastas y morteros, respectivamente, para que se los utilice en ensayos subsecuentes. Ambos permiten la comparación de ingredientes distintos con la misma penetrabilidad o fluidez.

 

Fig. 2-36. Ensayo de consisten-cia normal para pastas usando la aguja de Vicat.

 Fig. 2-37. Ensayo de consis-tencia para morteros usando lamesa de fluidez. El mortero se coloca en un molde de latón cen-tralizado en la mesa (foto pequeña, a la derecha). El técnico debe usar guantes al manosear el mortero para la protección de su piel. Después que se remueve
el molde y se somete la mesa a una sucesión de caídas, se mide el diámetro del mortero para determinarse la consistencia.

Sanidad del Cemento.

La sanidad se refiere a la habilidad de la pasta de cemento en mantener su volumen. La falta de sanidad o la expansión destructiva retardada se puede causar por la cantidad excesiva de cal libre o magnesia supercalcinadas. La mayoría de las especificaciones para cemento portland limitan el contenido de magnesia (periclasa) y la expansión máxima que se mide por el ensayo de expansión en auto- clave. Desde la adopción del ensayo de expansión en autoclave en 1943 en los EE.UU. (Tabla 2.15), pocos casos de expansiones se han atribuido a la falta de sanidad (Fig.2-35) (Gonnerman, Lerch y Whiteside 1953).

 Fig. 2-35. En el ensayo de sanidad, las barras con sección
cuadrada de 25 mm son expuestas a altas temperaturas y a
la presión en autoclave para determinarse la estabilidad de
volumen de la pasta de cemento.

Tabla 2-15. Ensayos de Expansión en Autoclave del Cemento 

Tamaño de las Partículas y Finura del Cemento.

El cemento portland consiste en partículas angulares individuales, con una variedad de tamaños resultantes de la pulverización del clínker en el molino

Aproximadamente 95% de las partículas del cemento son menores que 45 micrómetros, con un promedio de partículas de 15 micrómetros. La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama “finura”. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento (partículas menores) aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Los efectos de la mayor finura sobre la resistencia de las pastas se manifiestan, principalmente, durante los primeros siete días.

A principio del siglo XX, la finura del cemento se expresaba como masa del cemento por fracción de tamaño (porcentaje de la masa retenida en tamaños de tamices específicos). Hoy en día, la finura normalmente se mide por el ensayo de permeabilidad al aire Blaine  que mide indirectamente el área superficial de las partículas de cemento por unidad de área. Cementos con partículas más finas tienen mayor área superficial en metros cuadrados por kilogramo de cemento. Se han empleado, en el pasado, centímetros cuadrados por gramo, pero, actualmente, se consideran estas medidas arcaicas. A excepción de la AASHTO M 85, la mayoría de las normas de cemento no tienen un límite máximo para la finura, sólo mínimo. Se puede utilizar en los ensayos de finura, el ensayo del turbidímetro de Wagner (Fig. 2-32), el tamiz de 45 micrómetros (No. 325) (Fig.2-33, Tabla 2.14) o los tamices de 150 µm (No. 100) y 75 µm (No. 200) (Tabla 2.14) y el analizador electrónico de tamaño de partículas (Rayos X o láser) (Fig. 2-34). Los datos de la finura Blaine para los cementos Norteamericanos se presentan en la Tabla 2.11

 Fig. 2-32. Aparato del ensayo de Blaine (izquierda) y turbidímetro de Wagner (derecha) para la determinación de la finura del cemento. Los valores de finura de Wagner son un poco mayores que la mitad de los valores de Blaine. (40262, 43815)

Fig. 2-33. Ensayos acelerados (ensayos rápidos), tales como
el lavado de cemento encima de este tamiz de 45
micrómetros, ayudan a controlar la finura del cemento
durante la producción. Se presenta una vista del receptáculo
del tamiz (cedazo). La foto más pequeña, a la derecha,
presenta una vista, de arriba, de una muestra de cemento en
el tamiz antes que sea lavada con  agua (68818, 68819).

Fig. 2-34. Un analizador de partículas a láser  que usa
difracción de láser para determinar la distribución del
tamaño de las partículas en el polvo. La Fig. 2-31 (derecha)
ilustra los valores típicos. (69390)

Propiedades Físicas del Cemento.

Las especificaciones de cemento presentan límites para las propiedades físicas y para la composición química.

La comprensión de la importancia de las propiedades físicas es útil para la interpretación de los resultados de los ensayos de los cementos. Los ensayos de las propiedades físicas de los cementos se deben utilizar para la evaluación de las propiedades del cemento y no del concreto. Las especificaciones del cemento limitan las propiedades de acuerdo con el tipo de cemento. Durante la fabricación, se monitorean continuamente la química y las siguientes propiedades del cemento:

Tamaño de las Partículas y Finura del Cemento.
Sanidad del Cemento.
Consistencia del Cemento.
Tiempo de Fraguado del Cemento.
Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido) .
Resistencia a Compresión del Concreto.
Calor de Hidratación del Concreto.
Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego).
Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Concreto.
Densidad Aparente del Concreto.

Agua (Evaporable y No-evaporable): Ingrediente de pasta, morteros y concretos.

El agua es un ingrediente llave de las pastas, morteros y concretos, pues las fases en el cemento portland tienen que reaccionar químicamente con el agua para desarrollar resistencia. La cantidad de agua adicionada a la mezcla también controla la durabilidad. El espacio en la mezcla inicialmente lleno de agua, con el tiempo, se sustituye parcial o completamente mientras que las reacciones de hidratación ocurren (Tabla 2.10). Si se usa más que aproximadamente 35% de agua en masa de cemento – relación agua-cemento de 0.35– va a permanecer una porosidad en el material endurecido, incluso después de la hidratación completa. Ésta se llama porosidad capilar. La Figura 2-30 muestra que pastas de cemento con alta y baja relación agua-cemento tienen masas iguales después del secado (el agua evaporable fue removida). El cemento consume la misma cantidad de agua en ambas pastas resultando en un volumen mayor en la pasta con relación agua-cemento mayor. Amedida que la relación agua-cemento aumenta, la porosidad capilar aumenta y la resistencia disminuye. Las propiedades de transporte, tales como permeabilidad y difusividad también aumentan, permitiendo que substancias perjudiciales ataquen el concreto o la armadura más fácilmente.

Fig. 2-30. Cilindros de pastas de cemento de pesos iguales y
el mismo contenido de cemento, pero mezclados con
diferentes relaciones agua-cemento, enseñados después que
toda el agua se ha evaporado. (1072)

El agua en los materiales cementantes se encuentra en muchas formas. Agua libre es el agua de la mezcla que no reaccionó con las fases del cemento. La retenida es el agua químicamente combinada en las fases sólidas o físicamente adherida a las superficies del sólido. No es posible una separación confiable del agua químicamente combinada y del agua físicamente adsorbida. Por lo tanto, Powers (1949) distinguió agua evaporable y agua no-evaporable. El agua no-evaporable es la cantidad de agua retenida por un espécimen después de que se lo ha sujeto a procedimientos de secado para la remoción de toda el agua libre (tradicionalmente a través del calentamiento a 105°C). El agua evaporable ha sido originalmente considerada como agua libre, pero ahora se reconoce que parte de la adsorbida también puede ser perdida bajo calentamiento a esa temperatura. Toda el agua no-evaporable es agua combinada,

pero el opuesto no es verdadero.

Para la completa hidratación del cemento portland, sólo aproximadamente 40% de agua es necesaria (relación agua-cemento de 0.40). Si la relación agua-cemento es mayor que 0.40, el exceso del agua que no se utiliza para la hidratación permanece en los poros capilares o se evapora.

Si la relación agua-cemento es menor que 0.40, parte del cemento va a permanecer anhidro.

Para estimarse el grado de hidratación del material hidratado, normalmente se usa el contenido de agua no-evaporable. Para convertir la cantidad de agua no-evaporable medida en el grado de hidratación, se hace necesario el conocimiento del valor de la relación agua no- evaporable – cemento (an/c) para la hidratación completa.

La determinación de esta relación se hace experimentalmente con el preparo de una pasta de alta relación agua-cemento (por ejemplo 1.0) y su molienda continua en un molino de bolas mientras que se hidrata. En este procedimiento, la completa hidratación del cemento se logrará después de 28 días.

Alternativamente, se puede obtener de la composición potencial de Bogue del cemento un valor estimado de la relación agua no-evaporable – cemento (an/c) para la completa hidratación. El contenido de agua no-evaporable para la mayoría de los compuestos del cemento portland se presenta en la Tabla 2.12. Para un cemento ASTM tipo I típico, estos coeficientes van a resultar en un (an/c) calculado para la hidratación completa del cemento de 0.22 a 0.25.

 

 Tabla 2-12. Contenido de Agua No-evaporable
parala Hidratación Completa de los CompuestosdelCemento

 

Compuestos químicos e hidratación del cemento portland.

En la fabricación del clínker de cemento portland, durante la calcinación, el calcio combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa del cemento. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda. Los químicos del cemento usan las siguientes abreviaturas químicas para describir los compuestos:

A= Al2O3, C = CaO, F = Fe2O3, H = H2O, M = MgO, S = SiO2 y Æ = SO3.

Se usa el término “fase” preferiblemente al término “compuesto” para describirse los componentes del clínker.

Siguen los cuatro compuestos principales en el cemento portland, sus fórmulas químicas aproximadas y abreviaturas:

Silicato tricálcico3CaO·SiO2 =C3S

Silicato dicálcico2CaO·SiO2 =C2S

Aluminato tricálcico3CaO·Al2O2 =C3A

Ferroaluminato4CaO·Al2O2·Al2O2 =C4AF tetracálcico

Siguen las formas de sulfato de calcio, sus fórmulas químicas y abreviaturas:

Sulfato de calcio anhidro (anhidrita)

CaSO4 = CaO·SO3 =  CÆ

Sulfato de calcio dihidratado (yeso)

CaSO4 ·2H2O·= CaO·SO3 ·2H2O  =  CÆ H2

Hemidrato de sulfato de calcio

CaSO4 · 1⁄2H2O·= CaO·SO3 · 1⁄2H2O  =  CÆ H1/2

El yeso, sulfato de calcio dihidratado, es la fuente de sulfato más empelada en el cemento.

El C3S y el C2S en el clínker se conocen como alita y belita, respectivamente. La alita constituye del 50% hasta 70% del clínker, mientras que la belita es responsable por sólo 15% hasta 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% hasta 10% del clínker y los compuestos de ferrita del 5% hasta 15% (Taylor 1997).

Estos y otros compuestos se los pueden observar y analizar a través del uso de técnicas microscópicas (consulte Fig. 2-25, ASTM C 1356 y Campbell 1999). La Tabla 2.9 trae algunas normas empleadas para el análisis químico.

En presencia de agua, estos compuestos se hidratan (se combinan químicamente con el agua) para formar nuevos compuestos, los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto (Fig. 2-26). Los silicatos de calcio, C3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado (arcaicamente llamado de gel de tobermorita). El cemento portland hidratado contiene del 15% hasta 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 50% de silicato de calcio hidratado, en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado (Fig. 2-27). El C3Areacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetracálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso, cemento anhidro (cálculos de Bogue). Debido a las imprecisiones de los cálculos de Bogue, se pueden determinar los porcentajes de los compuestos de manera más precisa a través de las técnicas de difracción de rayos X (ASTM C 1365, IRAM 1714, NTP334.108). La Tabla 2.11 presenta la composición típica de los compuestos elementares así como la finura de cada uno de los principales tipos de cemento portland en los EE.UU.

Normalmente se describen los elementos como óxidos sencillos para la consistencia de las normas. Sin embargo, raramente se encuentran en el cemento en la forma de óxidos. Por ejemplo, el azufre del yeso normalmente se designa como SO3 (trióxido de azufre), sin embargo el cemento no contiene ningún trióxido de azufre. Las cantidades de calcio, sílice y alúmina establecen la cantidad de anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 2.10. Brunauer (1957), Copeland y otros (1960),

Lea (1971), Powers y Brownyard (1947), Powers (1961) y Taylor (1997) presentaron la estructura de los poros y la química de las pastas de cemento. La Figura 2-28 muestra los volúmenes relativos estimados de los compuestos en las pastas hidratadas de cemento portland.

Un modelo computacional para la hidratación y el desarrollo de la microestructura, en la Web, se encuentra en NIST (2001) [http://vcctl.cbt.nist.gov].

El porcentaje aproximado de cada compuesto se puede calcular a través del análisis químico de los óxidos del los compuestos principales en el cemento y efectivamente las propiedades del cemento hidratado. El sulfato está presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de resistencia (Tang 1992). Batí (1995) y PCA(1992) discuten los elementos menores y su efecto en las propiedades del cemento. El conocimiento actual de la química del cemento indica que los compuestos principales del cemento tienen las siguientes propiedades:

Silicato Tricálcico, C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana (Fig. 2-29). En general, la resistencia temprana del concreto de cemento portland es mayor, cuando el porcentaje de C3S aumenta.

Silicato Dicálcico, C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente para el aumento de resistencia en edades más allá de una semana.

Aluminato Tricálcico, C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco para el desarrollo de las resistencias tempranas. Los cementos con bajos porcentajes de C3 Aresisten mejor a suelos y aguas con sulfatos.

Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerización (clin-

querización o cocción) durante la fabricación del cemento.

Este compuesto contribuye muy poco para la resistencia.

La mayoría de los efectos de color para la producción del cemento gris se deben al C4AF y sus hidratos.

Sulfato de Calcio, como anhidrita (sulfato de calcio anhidro), yeso (sulfato de calcio dihidratado) o hemidrato, comúnmente llamado de yeso de parís (sulfato de calcio hemidrato), se adiciona al cemento durante la molienda final, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita (trisulfoaluminato de calcio). Esto controla la hidratación del C3A. Sin sulfato, el fraguado del cemento sería rápido. Además del control del fraguado y del desarrollo de resistencia, el sulfato también ayuda a controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia hasta 28 días (Lerch 1946).

Además de los compuestos principales arriba, existen también numerosas otras formulaciones de compuestos (PCA1997, Taylor 1997, Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-25. (izquierda) El examen de secciones finas pulidas de clinker portland muestra la alita (C3S) como cristales angulares y claros. Los cristales más oscuros y arredondeados son la belita (C2S). Aumento 400X. (derecha) Micrografía del microscopio electrónico de barrido (SEM) de los cristales de alita en el clinker portland. Aumento 3000X 

Tabla 2-9. Normas para el Análisis Químico delClínker y del Cemento

* Las normas UNIT –NM son normas para el Uruguay y también
para el MERCOSUR.

Fig. 2-26. Micrografías electrónicas de (izquierda) silicato dicálcico hidratado, (medio) silicato tricálcico hidratado y (derecha)cemento portland normal hidratado. Observe la naturaleza fibrosa de los productos hidratos de silicato de calcio.Fragmentos rotos de cristalitas de hidróxido de calcio angular también están presentes (derecha). La unión de las fibras yla adhesión de las partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cementoportland. Referencias (izquierda y el medio) Brunauer 1962 y (derecha) Copeland y Schulz 1962.

Fig. 2-27. Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento (izquierda) aumento 500X y (derecha) aumento 1000X). (A7112, A7111)

Tabla 2-10. Reacciones de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Expresados en óxidos)

Nota: Esta tabla enseña sólo las transformaciones principales y no las varias transformaciones que ocurren. La composición del silicato de calcio
hidratado (C-S-H) no es estequiométrica (Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-28. Volúmenes relativos de los compuestos principales en la microestrutura de las pastas de cemento en proceso dehidratación (izquierda) en función del tiempo (adaptado de Locher, Richartz y Sprung 1976) y (derecha) en función del gradode hidratación, estimado por el modelo de computadora para la relación agua-cemento de 0.50 (adaptado de Tennis yJennings 2000). Los valores son para la composición media de un cemento tipo I (Gebhardt 1995): C3S = 55%, C2S=18%,C3A= 10% y C4AF = 8%. “AFt y AFm” incluyen etringita (AFt) y monosulfoaluminato de calcio (AFm) y otros compuestoshidratados de aluminato de calcio. Consulte la Tabla 2-5 para la transformación de los compuestos.
 

Tabla 2-11. Composición Química, Composición de los Compuestos y Finura de los Cementos de los EE.UU.

*Estos valores representan un resumen de estadísticas combinadas. Los cementos con aire incluido (incorporado) no están incluidos. Para una
homogeneización de la información, los elementos están expresos en la forma padrón de óxidos. Esto no significa que la forma de óxidos esté
presente en el cemento. Por ejemplo, el azufre se reporta como SO3, trióxido de azufre, pero el cemento portland no contiene trióxido de
azufre. La “composición potencial de los compuestos” se refiere a los cálculos de la ASTM C 150 (AASHTO M 85) usando la composición
química del cemento. La composición real de los compuestos puede ser menor, debido a reacciones químicas incompletas o alteradas.
**Incluyendo los cementos finamente molidos.
Adaptado de PCA(1996) y Gebhardt (1995).

Fig. 2-29. Reactividad relativa de los compuestos del
cemento. La curva llamada “total” tiene una composición del
55% de C3S, 18% de C2S, 10% de C3Ay 8% de C4AF, una com-
posición media del cemento tipo I (Tennis y Jennings 2000).