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.
viernes, 17 de junio de 2011
Propiedades Físicas del Cemento.
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 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
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.
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).
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).
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).
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).
Aplicaciones del concreto relacionadas con el almacenamiento de agua potable.
Por décadas, se ha usado el concreto de manera segura en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable. Los materiales en contacto con el agua deben satisfacer a requisitos especiales para el control de la entrada de elementos en el abastecimiento de agua. Algunos sitios pueden solicitar que el cemento y el concreto atiendan a requisitos especiales del Instituto Nacional de Normas Norteamericanas/ Norma da Fundación Sanitaria Nacional (American National Standard Institute/ Nacional Sanitation Foundation Standard) ANSI/NSF 61, Componentes del Sistema de
Agua Potable – Efectos en la Salud (Drinking Water System Components – Health Effects) o normas específicas de cada país. La ANSI/NSF 61 está adaptándose para cada estado de los EE.UU., para garantizar que los productos tales como tubería, recubrimientos y capas y procesos de abastecimiento sean seguros para su uso en sistemas de agua potable para la población.
Los cementos que se usen en componentes de los sistemas de abastecimiento de agua potable, tales como tuberías y depósitos, se deben someter a los ensayos bajo la ANSI/NSF 61. Kanare (1995) resume las especificaciones y los programas de pruebas necesarios para la certificación del cemento para su uso en aplicaciones de agua potable.
Consulte el código de construcción local o las autoridades locales para determinar si se requiere el uso de cementos certificados para proyectos de agua, tales como tuberías en concreto y depósitos en concreto (Fig. 2-24).
Fig. 2-24. El concreto ha demostrado décadas de uso seguro en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable, tales como tanques de concreto.
Elección y especificación de cementos.
Al especificarse el cemento para un proyecto, se debe estar seguro de la disponibilidad de los tipos de cemento, además, la especificación debe permitir flexibilidad en la selección del cemento. La limitación de un proyecto a un sólo tipo de cemento, una marca o una norma de cemento puede resultar en retrasos del proyecto y puede impedir el mejor uso de materiales locales. No se deben requerir los cementos con propiedades especiales, a menos que características especiales sean necesarias. Además, el uso de materiales cementantes suplementarios no debe inhibir el uso de cualquier cemento portland o cemento adicionado en particular. Las especificaciones de proyecto deben enfocarse en la necesidad de la estructura de concreto y permitir la utilización de una variedad de materiales para que se alcancen estas necesidades.
Si no se requieren propiedades especiales (tales como bajo calor de hidratación o resistencia a los sulfatos), se permite el uso de todos los cementos de uso general. Se debe observar que algunos tipos de cementos siguen también los requisitos de otros tipos de cemento, por ejemplo, todos los cementos ASTM tipo II atienden a los requisitos del cemento tipo I, pero ni todo cemento tipo I atiende a los requisitos del cemento tipo II. Consulte las Tablas 2.3 y 2.8 para la orientación sobre el uso de los diferentes tipos de cementos.
Usos de los principales tipos de cementos en latinoamérica.
Cemento Portland Normal u Ordinario. Éste es un cemento para uso general, empleado cuando no sean necesarias propiedades especiales. Pero a este cemento se pueden añadir características especiales como en Argentina donde puede tener alta resistencia inicial, moderada o alta resistencia a los sulfatos, en Colombia donde puede tener alta resistencia, en México donde puede tener resistencia a sulfatos, baja reactividad álcali-agregado, bajo calor de hidratación o blanco y en Perú donde puede presentar bajo contenido de álcalis. Se lo puede utilizar en concreto armado, pavimentos, prefabricados, mampostería, concreto postensado y concreto pretensado.
Moderada Resistencia a los Sulfatos. Ha sido diseñado para estructuras que necesiten moderada resistencia a los sulfatos o bajo calor de hidratación. Se recomienda en edificios y construcciones industriales, puentes, estructuras expuestas a suelos, al agua con concentración moderada de sulfatos o al agua del mar o estructuras con gran volumen de concreto. En estos cementos el contenido de C3Ase limita a 8%.
Alta Resistencia Inicial. Normalmente se lo conoce como ARI. La alta resistencia inicial de este cemento normalmente es resultado de la mayor área superficial Blaine y no de los productos de hidratación del C3A. En la mayoría de los países, este cemento se compone de clínker e yeso, pero en Costa Rica puede recibir también pequeñas cantidades de caliza. Se lo utiliza en estructuras de concreto que necesitan de alta resistencia a edades tempranas, tales como pavimentos “fast-track”, concreto prefabricado, concreto de alto desempeño, concreto colocado en tiempo frío, concreto postensado y concreto pretensado.
Bajo Calor de Hidratación. Esta es una propiedad encontrada en cementos indicados para estructuras de concreto masivo. Como el C3Ay el C3S producen alto calor de hidratación, el contenido de estos compuestos se limita a 7% y 35%, respectivamente.
Alta Resistencia a los Sulfatos. Este cemento se usa cuando la estructura va a estar en contacto con ambientes con alto contenido de sulfatos solubles, tales como cimentaciones en suelos agresivos, pavimentos, estructuras en contacto con el agua del mar, plantas industriales, plantas de tratamiento de agua potable y de aguas residuales.
Normalmente el contenido de C3Apermitido es 5%, a excepción de Argentina que limita el C3Aa 4%.
Blanco. Este cemento puede seguir los requisitos de otros cementos, por ejemplo del cemento portland común, pero diferenciándose en su color. Se lo utiliza en elementos prefabricados de concreto, concreto arquitectónico, pisos y acabado de fachadas.
Cementos Portland Modificados. Estos cementos se producen por la molienda conjunta del clínker y pequeñas cantidades de adiciones, tales como calizas, puzolanas y escorias. Son para uso general, cuando el concreto no necesite desarrollar alta resistencia inicial, a excepción del cemento ARI de Costa Rica. El área superficial Blaine de estos cementos es, normalmente, mayor para compensar las modificaciones de algunas propiedades (tasa de desarrollo de la resistencia, tiempo de fraguado).
Los cementos portland con filler calcáreo son cementos que reciben pequeñas cantidades de caliza. En Costa Rica y Venezuela el contenido de caliza es de hasta 15 %, en Bolvia hasta 15%, en Argentina hasta 20% y en Colombia hasta 30%, en masa.
En los cementos portland modificados con escoria se permiten cantidades mayores de adiciones: Argentina 35%, Chile 30% y Perú 25%.
En los cementos portland modificados con puzolana la cantidad de puzolana adicionada es de hasta15% en Perú y hasta 30% en Chile, Bolivia y Venezuela.
Cementos Portland Adicionados (Mezclados). La diferencia entre un cemento adicionado y uno modificado es la mayor cantidad de adición mineral en los adicionados, la cual influye en las principales propiedades del concreto: menor calor de hidratación, desarrollo más lento de la resistencia, menor permeabilidad y mayor durabilidad.
El cemento portland de escoria se usa en construcciones en general, cuando sea necesaria resistencia a la reacción álcali-agregado o cuando se deseen baja permeabilidad y bajo calor de hidratación. Además, su uso es indicado en estructuras expuestas al agua del mar o a sulfatos. Ejemplos de empleo de este cemento son las presas y las estructuras de concreto masivo. Colombia es el país que permite el mayor contenido de escoria (85%), seguido de México y Paraguay (80%), Argentina y Chile
(75%), Perú (70%) y Uruguay (65%).
El cemento portland puzolánico se usa en concretos expuestos a condiciones severas, tales como sulfatos y también cuando agregados potencialmente reactivos se van a emplear. El concreto expuesto al agua del mar y el concreto prefabricado sometido al curado térmico son ejemplos de utilización de este tipo de cemento. En Argentina, Chile, Colombia y México el contenido de puzolana puede llegar al 50% y en Bolivia, Perú, Uruguay y Venezuela al 40%.
La Tabla 2.8 presenta un resumen de las aplicaciones de los principales cementos en Latinoamérica.
Tabla 2-8. Aplicación de los cementos más comúnmente usados
Cementos de Fosfato de Magnesio.
El cemento de fosfato de magnesio es un cemento de fraguado rápido y alta resistencia inicial. Se lo utiliza normalmente en aplicaciones especiales, tales como reparos de pavimentos y estructuras de concreto o por ejemplo en ciertos productos químicos. Este cemento no contiene cemento portland.
viernes, 10 de junio de 2011
Cementos de Aluminato de Calcio.
El cemento de aluminato de calcio no tiene como base el cemento portland. Se lo utiliza en aplicaciones especiales para desarrollo rápido de resistencia (resistencia de diseño en un día), resistencia a altas temperaturas y resistencia a los sulfatos, ácidos flacos y agua de la mar. La combinación del cemento portland y del cemento de aluminato de calcio se ha empleado para el preparo de concretos y morteros de fraguado rápido. Las aplicaciones típicas de los concretos de aluminato de calcio incluyen: pisos industriales con resistencia química, resistencia a altas temperaturas y resistencia a corrosión; revestimientos refractarios moldeados y reparos. Las normas que tratan de estos cementos incluyen la norma británica BS 915-2 y la norma francesa
NF P15-315.
El concreto de cemento de aluminato de calcio se lo debe preparar con baja relación agua-cemento (menos de 0.40), para minimizarse la conversión de los productos hidratados menos estables de aluminato de calcio hexagonal (CAH10) en: aluminato tricálcico hidratado cúbico (C3AH6), el cual es más estable, alúmina hidratada (AH3) y agua. Alo largo del tiempo y en condiciones particulares de humedad y temperatura, esta conversión puede causar una disminución del 53% del volumen del material hidratado.
Sin embargo, este cambio interno de volumen ocurre sin una alteración dramática de las dimensiones totales del miembro de concreto, resultando en un aumento de porosidad de la pasta y reducción de la resistencia a compresión.
Con relaciones agua-cemento bajas, no hay espacio suficiente para que todo el aluminato de calcio reaccione y forme CAH10. El agua liberada por la conversión reacciona con más aluminato de calcio, compensando parcialmente los efectos de la conversión. La resistencia de diseño del concreto se debe basar en la resistencia convertida. Debido a este fenómeno de conversión, el cemento de aluminato de calcio se emplea normalmente en aplicaciones sin finalidades estructurales y se lo usa con cautela (o sencillamente no se lo usa) en aplicaciones estructurales (Taylor 1997).
Cementos de Endurecimiento Rápido.
El cemento hidráulico de endurecimiento rápido, alta resistencia inicial, se usa en construcciones tales como pavimentos de rápida habilitación al tránsito (fast track), donde el desarrollo rápido de la resistencia se hace necesario (resistencia de diseño [resistencia de cálculo] en aproximadamente cuatro horas). Estos cementos normalmente usan sulfoaluminato de calcio para la obtención de la resistencia temprana. Se clasifican como tipo VH (muy alta resistencia temprana), MR (resistencia temprana de medio rango) y (GC) construcción general.o plásticos.
Cementos de Etringita.
Los cementos de etringita son cementos de sulfoaluminato de calcio que se formulan especialmente para aplicaciones especiales, tales como la estabilización de materiales de desecho (Klemm 1998). Estos cementos se pueden formular con grandes cantidades de etringita para la estabilización de iones metálicos específicos a lo largo de la estructura de la etringita. También se los han empleado en aplicaciones de fraguado rápido, incluyendo su uso en minas de carbón.
Cementos de Geopolímeros.
Los cementos de geopolímeros son cementos hidráulicos inorgánicos que se basan en la polimerización de minerales (Davidovits, Davidovits y James 1999). El término se refiere más específicamente a cementos alumino-silicato activados por álcalis, también llamados de cementos zeolíticos o polisialato. Se los han usado para la construcción en general, aplicaciones de concreto de alta resistencia inicial y estabilización de desechos.
Estos cementos no contienen polímeros orgánicos o plásticos.
Cementos de Fraguado Regulado.
Cementos de fraguado regulado son cementos hidráulicos de fluoraluminato de calcio que se pueden formular y controlar para la producción de concreto con tiempo de fraguado que varíen de pocos minutos hasta una hora y con correspondiente desarrollo rápido de la resistencia (Greening y otros 1971). Éste es un cemento a base de cemento portland con adiciones funcionales y que se puede producir en el mismo horno usado en la fabricación convencional del cemento portland. El cemento de fraguado regulado incorpora componentes de controle de fraguado y de desarrollo de resistencia a las edades tempranas. Las propiedades físicas finales del concreto resultante son, en su mayoría, similares a las de los concretos de cemento portland comparables.
jueves, 9 de junio de 2011
Cementos Repelentes al Agua.
Cementos repelentes al agua, algunas veces llamados de cementos impermeables, se producen normalmente con la adición al clínker de pequeñas cantidades de aditivos repelentes al agua, tales como estearato (sodio, aluminio y otros) durante la molienda final (Lea 1971). Fabricados tanto en el color blanco como en el color gris, los cementos repelentes al agua reducen la transmisión de agua por capilaridad cuando hay poca o ninguna presión, pero no paran la transmisión de vapor de agua. Se usan en morteros para baldosas y azulejos, pinturas y revestimiento final en estuco.
Cementos con Adiciones Funcionales.
Las adiciones funcionales se pueden moler con el clínker de cemento para modificar las propiedades del cemento hidráulico. Estas adiciones deben cumplir con los requisitos de la ASTM C 226 o C 688. La ASTM C 226 indica la adición de inclusor de aire, mientras que la ASTM C 688 indica las siguientes adiciones: reductores de agua, retardadores (retardantes), aceleradores (acelerantes), reductores de agua y retardadores, reductores de agua y aceleradores y adiciones para control de fragüe. Las especificaciones para el cemento ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157 permiten las adiciones funcionales. Estos cementos se pueden utilizar en construcciones de concreto normales o especiales, cementación y otras aplicaciones.
Gaida (1996) estudió una adición funcional para el control de la reactividad álcali-sílice.
Cementos para Pozos Petroleros (Petrolíferos)
Los cementos para pozos petroleros, usados para sellar pozos de petróleo, también llamados de cementación de pozos petroleros, se fabrican normalmente con clínker de cemento portland o de cementos hidráulicos adicionados.
Generalmente, deben tener tiempo de fraguado lento y deben ser resistentes a altas temperaturas y presiones. La especificación para cementos y materiales para selladura de pozos del Instituto de Petróleo Americano (American Petroleum Institute’s Specification for Cements and Materials for Well Cementing) incluye requisitos para ocho clases de cementos para pozos (clases Ahasta H) y tres grados (Grado O – común, MSR – moderada resistencia a los sulfatos y HSR – alta resistencia a los sulfatos). Cada clase se aplica para el uso hasta una cierta gama de profundidades del pozo, temperaturas, presiones y ambientes sulfatados. La industria de petróleo también usa los tipos de cemento portland convencionales con modificadores de cemento adecuados. Los cementos expansivos han presentado un buen desempeño como cemento para pozos.
Cementos Expansivos.
El cemento expansivo es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el inicio del periodo de endurecimiento, después del fraguado. Este cemento debe estar de acuerdo con los requisitos de la ASTM C 845, en la cual está designado como el tipo E-
1. Actualmente, se reconocen tres variedades de cemento expansivo, llamadas de K, M y S, las cuales se añaden como sufijo al tipo. El tipo E-1(K) contiene cemento portland, trisulfoaluminato tetracálcico, sulfato de calcio y óxido de calcio no combinado (cal). El tipo E-1(M) contiene cemento portland, cemento de aluminato de calcio y sulfato de calcio. El tipo E-1(S) contiene cemento portland con alto contenido de aluminato tricálcico y sulfato de calcio. El tipo E-1(K) es el cemento expansivo más disponible comercialmente en los EE.UU.
Los cementos expansivos también se pueden producir con composiciones diferentes de las mencionadas anteriormente. Las propiedades expansivas de cada tipo pueden variar considerablemente dentro de un rango.
Cuando se restringe la expansión, por ejemplo por el acero del refuerzo (armadura), el concreto de cemento expansivo (también llamado de retracción compensada o contracción compensada) se lo puede usar para: (1) compensar la disminución de volumen derivado de la contracción por secado, (2)inducir tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) en la armadura (concreto postensado) y (3) estabilizar, a largo plazo, las dimensiones de las estructuras de concreto postensado con respecto al diseño original.
Una de las mayores ventajas en el uso de los cementos expansivos en concreto ha sido citada arriba en el (1); cuando se pueden compensar los cambios de volumen ocasionados por la contracción por secado, se controlan y reducen las fisuras de retracción por secado. La Figura 2-23 ilustra el histórico de cambios de longitud (expansión temprana y contracción por secado) de concretos con retracción compensada y de concretos convencionales de cemento portland. Para más informaciones, consulte Pfeifer y Perenchio (1973), Russell (1978) y PCA(1998).
Fig. 2-23. Histórico de los cambios de longitud de un cemento de retracción compensada, de concreto conteniendo cemento tipo E-1 (S) y de concreto conteniendo cemento portland tipo I (Pleifer y Perenchio 1973).
Cemento Finamente Molido (Cementos Ultra Finos).
Los cementos finamente molidos, también llamados de cementos ultra finos, son cementos hidráulicos los cuales se muelen muy finamente para usarlos en selladura de suelos finos o en fisuras muy finas de rocas (Fig. 2-22).
Fig. 2-22. (izquierda) La lechada de cemento finamente molido y agua se puede inyectar en el suelo, como se enseña aquí, para la estabilización de los materiales, para garantizarse la resistencia de cimientos (cimentación, fundación, zapata) o para retener químicamente los contaminantes en el suelo. (68810) Ilustración (derecha) de la penetración de la lechada (groute) en el suelo.
Las partículas de cemento son más pequeñas que 10 micrómetros de diámetro y 50% de las partículas son menores que 5 micrómetros. Su finura Blaine normalmente excede a 800 m2/kg. Estos cementos muy finos consisten en cemento portland, escoria granulada de alto horno y adiciones minerales.
miércoles, 8 de junio de 2011
Cementos Plásticos.
El cemento plástico es un cemento hidráulico que satisface a los requisitos de la ASTM C 1328. Se lo usa para la preparación de revoques y estucos a base de cemento portland (ASTM C 926), normalmente en las regiones sudoeste y costa oeste de los EE.UU. (Fig. 2-21). El cemento plástico consiste en una mezcla de cemento portland, cemento adicionado y materiales plastificantes (tales como caliza, cal hidratada, cal hidráulica), conjuntamente con materiales introducidos para la mejoría de una o más propiedades, tales como tiempo de fraguado, trabajabilidad, retención de agua y durabilidad.
La ASTM C 1328 define requisitos separados para los cementos plásticos tipo M y tipo S, siendo que el tipo M posee más altos requisitos de resistencias. El código de construcciones uniformes (Uniform Building Code – UBC) 25-1 no clasifica el cemento plástico en diferentes tipos, pero define un sólo grupo de requisitos, el cual corresponde a aquéllos de la ASTM C 1328 para el cemento plástico tipo M. Cuando se usa el cemento plástico, ni cal ni plastificantes se pueden adicionar en el revoque en el momento del mezclado.
Fig. 2-21. El cemento de albañilería y el cemento plástico se usan para la producción de revoques o estucos para edificios comerciales, institucionales y residenciales. Las fotos enseñan una Iglesia y una casa con estuco exterior. La foto menor, a la derecha, muestra la textura convencional del estuco.
El término “plástico” en el cemento plástico no se refiere a ninguna adición de cualquier compuesto orgánico al cemento, pero “plástico” se refiere a la habilidad del cemento de conferir al revoque un alto grado de plasticidad (docilidad) o trabajabilidad. El revoque preparado con este cemento debe mantenerse trabajable por un periodo de tiempo suficientemente largo para que sea retrabajado, obteniéndose así la densificación y la textura deseadas. No se debe usar el cemento plástico en el preparo de concreto.
Para más informaciones sobre el uso del cemento plástico y revoques, consulte Melander e Isberner (1996).
Cementos de Albañilería (Masonería, Mampostería) y Cementos Mortero.
Los cementos de albañilería y los cementos mortero son cementos hidráulicos diseñados para que se empleen en morteros en la construcción de mampostería (Fig. 2-20).
Consisten en una mezcla de cemento portland, cemento hidráulico adicionado y materiales plastificantes (tales como caliza o cal hidratada), junto con otros materiales introducidos para mejorar una o más propiedades, tales como tiempo de fraguado, trabajabilidad, retención de agua y durabilidad. Se proporcionan y se embolsan estos componentes en la planta de cemento bajo condiciones controladas para que se garantice la uniformidad de desempeño.
Fig. 2-20. El cemento de albañilería y el cemento de mortero se usan para el preparo de mortero para la unión de unidades de mampostería. (68807)
Los cementos de albañilería satisfacen a los requisitos de la ASTM C 91, la cual clasifica los cementos de albañelería como tipo N, Tipo S y tipo M. El cemento blanco de albañilería y el cemento colorido de albañilería están de acuerdo con la ASTM C 91 y están disponibles en algunas regiones. Los cementos mortero siguen los requisitos de la norma ASTM C 1329, la cual también clasifica los cementos para mortero en tipo N, tipo S y tipo M. Sigue una breve descripción de cada tipo:
El cemento tipo N de albañilería y el cemento tipo N para mortero se usan en morteros tipo N y tipo O da ASTM C 270. Se los puede emplear con cemento portland o cemento portland adicionado para la producción de los morteros tipo S y tipo M.
El cemento de albañilería tipo S y el cemento mortero tipo M se usan en el mortero tipo S da ASTM C 270. Se los puede emplear también con cemento portland y cemento
portland adicionado para la producción del mortero tipo M.
El cemento de albañilería tipo M y el cemento mortero tipo M se usan en morteros tipo M da ASTM C 270 sin la adición de otros cementos o de cal hidratada.
Los tipos N, S y M generalmente tienen niveles de cemento portland y resistencias crecientes, siendo que el tipo M tiene la mayor resistencia. El cemento más empleado es el cemento tipo N.
El aumento del uso de mamposterías en aplicaciones con exigencias estructurales, tales como áreas con actividad sísmica, resultó en el desarrollo del cemento para mortero.
El cemento para mortero es similar al cemento de albañilería en el sentido de que es un cemento preparado industrialmente y usado principalmente para la producción de morteros para mamposterías. La ASTM C 1329 pone límites máximos de contenido de aire inferiores en el cemento para mortero que los límites permitidos para los cementos de albañilería; además, la ASTM C 1329 es la única especificación de la ASTM para materiales de mampostería que incluye un criterio de desempeño para la resistencia de adherencia.
La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería y los cementos para mortero están en el más alto nivel de uniformidad, debido al control de la producción. Los cementos de albañilería y los cementos mortero no sólo se emplean en la construcción de mamposterías pero también en aplanados. Los cementos de albañilería se emplean también en revoque y estuco a base de cemento portland (Fig. 2-21) (consulte ASTM C 926). No se deben usar los cementos de albañilería y los cementos para mortero en la preparación de concreto.
Cementos Especiales en los EE.UU.
Los cementos especiales se producen para aplicaciones especiales. La Tabla 2-4 resume los cementos especiales discutidos abajo. Para más informaciones, consulte Odler (2000) y Klemm (1998).
Tabla 2-4. Aplicaciones de los Cementos Especiales
**Los cementos portland tipos I, II, III y los cementos adicionados tipos IP, I(SM) y I(PM) también se emplean en la producción de revoques.
***Los cementos portland y los cementos hidráulicos adicionados se emplean también para estas aplicaciones.
Cementos Modificados.
El término “cemento portland modificado” usualmente se refiere a un cemento adicionado que contiene principalmente cemento portland, mezclado con pequeñas cantidades (menos que 15%) de adiciones minerales.
Sin embargo, algunas regiones poseen cementos portland modificados que no contienen una adición mineral. El “modificado” se refiere simplemente a una propiedad especial que el cemento posee o se refiere a un cemento que tiene las características de más de un tipo de cemento portland. Para más informaciones, consulte las discusiones anteriores sobre los cementos tipo I(SM), cemento portland modificado con escoria y tipo I (PM), cemento portland modificado con puzolana y las discusiones en “Cementos Hidráulicos”.
Cemento Hidráulico de Escoria en los EE.UU.
Los cementos hidráulicos de escoria son como los otros cementos que se fraguan y se endurecen por la reacción química con el agua. Se indica la aplicación del concreto preparado con el cemento hidráulico de escoria para las mismas finalidades que los otros cementos hidráulicos. Los cementos hidráulicos de escoria consisten en escoria granulada de alto horno que contiene los mismos compuestos químicos que el cemento portland. Normalmente, se los mezclan con cal hidratada o cemento portland. La combinación del cemento hidráulico de escoria con el agua produce esencialmente el mismo material aglomerante (silicato de calcio hidratado) que el producido por el cemento portland al combinarse con el agua. El cemento hidráulico de escoria está de acuerdo con la norma ASTM C 595 tipos IS y S, ASTM C 989 y ASTM C 1157.
Cementos Hidráulicos Tipo GU, Tipo HE, Tipo MS, Tipo HS, Tipo MH y Tipo LH
Tipo GU
El cemento de uso general tipo GU es adecuado para todas las aplicaciones donde las propiedades especiales de los otros tipos no sean necesarias. Su uso en concreto incluye pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tubería, productos de concreto prefabricado y otras aplicaciones donde se usa el cemento tipo I (Fig. 2-12).
Tipo HE
El cemento tipo HE proporciona alta resistencia en edades tempranas, usualmente menos de una semana. Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo III .
Tipo MS
El cemento tipo MS se emplea donde sean importantes las precauciones contra el ataque moderado por los sulfatos, tales como en estructuras de drenaje, donde las concentraciones de sulfatos en el agua subterráneo son mayores que lo normal pero no llegan a ser severas (consulte Tabla 2-2).
Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo II (Fig. 2-14). Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento tipo MS con baja relación agua materiales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos.
Tipo HS
El cemento tipo HS se usa en concreto expuesto a la acción severa de los sulfatos principalmente donde el suelo o el agua subterránea tienen altas concentraciones de sulfato (consulte Tabla 2-2). Este cemento se emplea de la misma manera que el cemento portland tipo V (Fig. 2-14).
Tipo MH
El cemento tipo MH se usa donde el concreto necesite tener un calor de hidratación moderado y se deba controlar el aumento de la temperatura. El cemento tipo MH se usa de la misma manera que el cemento portland de moderado calor tipo II (Fig. 2-16).
Tipo LH
El cemento tipo LH se usa donde la tasa y la cantidad del calor generado por la hidratación deban ser minimizadas.
Este cemento desarrolla resistencia en una tasa más lenta que los otros cementos. El cemento tipo LH se aplica en estructuras de concreto masivo donde se deba minimizar el aumento de la temperatura resultante del calor generado durante el endurecimiento. Este cemento se usa de la misma manera que el cemento portland tipo IV (Fig. 2-16).
La Tabla 2-3 presenta una matriz de los cementos comúnmente usados y donde son usados en la construcción de concreto.
Tabla 2-3. Aplicaciones para los Cementos Más Populares en los EE.UU.
*Verifique la disponibilidad local de los cementos específicos pues ni todos los cementos están disponibles en todas las regiones.
**La opción de baja reactividad con agregados susceptibles a la RAS se puede aplicar a cualquier tipo de cemento en las columnas a la izquierda.
***Para los cementos ASTM C 1157, la nomenclatura de cemento hidráulico, cemento portland, cemento portland con aire incluido, cemento portland modificado o cemento portland adicionado se usa con la designación del tipo.
Cementos Hidráulicos en los EE.UU.
Los cementos hidráulicos se fraguan y se endurecen por su reacción química con el agua. También se mantienen duros y estables bajo el agua. Se usan en todos los aspectos de la construcción con concreto.
Todos los cementos portland y los cementos mezclados son cementos hidráulicos.
Todos los cementos portland y los cementos mezclados son cementos hidráulicos.
“Cemento Hidráulico” es meramente un término más genérico Consulte también ASTM C 219 para los términos relacionados a los cementos hidráulicos.
En los años 90 se crearon las especificaciones de desempeño para los cementos hidráulicos – ASTM C 1157, especificación de Desempeño para Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements). Esta especificación se indica genéricamente para los cementos hidráulicos que incluyen cemento portland, cemento portland modificado y cemento hidráulico mezclado. Los cementos en acuerdo con los requisitos de la C 1157 satisfacen a los requisitos de ensayos de desempeño físico, oponiéndose a restricciones de ingredientes o de composición química del cemento, las cuales se pueden encontrar en otras especificaciones. La ASTM C 1157 presenta seis tipos de cementos hidráulicos:
Tipo GU Uso general
Tipo HE Alta resistencia inicial
Tipo MS Moderada resistencia a los sulfatos
Tipo HS Alta resistencia a los sulfatos
Tipo MH Moderado calor de hidratación
Tipo LH Bajo calor de hidratación
Además, estos cementos pueden también tener la opción R –baja reactividad con agregados álcali-reactivos especificados para ayudar en el control de la reactividad álcali-agregado. Por ejemplo, el cemento tipo GU-R sería un cemento hidráulico de uso general con baja reactividad con agregados álcali-reactivos.
Al especificar un cemento C 1157, el especificador usa la nomenclatura de “cemento hidráulico”, “cemento portland”, “cemento portland con aire incluido”, “cemento portland modificado” o “cemento hidráulico mezclado” juntamente con la designación del tipo. Por ejemplo, la especificación puede llamar un cemento hidráulico tipo GU, un cemento hidráulico mezclado tipo MS o un cemento portland tipo HS. Si no se especifica el tipo, entonces se asume el tipo GU.
La ASTM C 1157 define un cemento adicionado como aquél que tiene más de 15% de adición mineral y el cemento portland modificado aquél con un contenido de hasta 15% de aditivos minerales. La adición mineral normalmente aparece al final de la nomenclatura del cemento portland modificado, por ejemplo, cemento portland modificado con escoria.
La ASTM C 1157 también permite la especificación de una gama de resistencias a partir de una tabla de la norma.
Si no se especifica la gama de resistencias, sólo las resistencias mínimas son aplicables. La gama de resistencias se usa raramente en los EE.UU.
Cemento Portland Tipo I (SM).
El cemento portland modificado con escoria, tipo I(SM), se usa para construcciones de concreto en general.
Este cemento se produce por: (1) molienda conjunta del clínker de cemento portland con la escoria granulada de alto horno, (2) mezcla del cemento portland con la escoria granulada de alto horno finamente molida o (3) una combi- nación de molienda conjunta y mezcla. El contenido de escoria es menor que 25% de la masa del cemento final. Se lo puede especificar con aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación a través de la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo sería el tipo I(SM)-A(MH) para el cemento portland modificado con escoria con aire incorporado y moderada resistencia a los sulfatos.
Cemento Portland Tipo S.
El cemento de escoria de alto horno se usa con el cemento portland para la confección de concreto o con cal para el preparo de mortero, pero no se lo emplea separadamente en concreto estructural. El cemento de escoria se produce por: (1) mezclado de la escoria granulada de alto horno y el cemento portland, (2) mezclado de la escoria granulada de alto horno con la cal hidratada o (3) mezclado de una combinación de escoria granulada de alto horno, cemento portland y cal hidratada. El contenido mínimo de escoria es del 70% de la masa del cemento. Se puede especificar el aire incluido en el cemento de escoria con la adición del sufijo A, por ejemplo, tipo S-A.
Cemento Portland Tipo I (PM).
Los cementos portland modificados con puzolana, Tipo I(PM), se usan en construcciones de concreto en general. El cemento se fabrica con la combinación del cemento portland o el cemento portland de alto horno y una puzolana fina. Esta combinación se puede lograr por: (1) el mezclado del cemento portland con la puzolana, (2) el mezclado del cemento portland de alto horno con a puzolana, (3) la molienda conjunta del cemento portland y de la puzolana o (4) la combinación de la molienda y el mezclado. El contenido de puzolana es menor que 15% de la masa del cemento final. Se puede especificar aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación en cualquier combinación por la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo del cemento tipo I (PM) con aire incorporado y moderado calor de hidratación sería designado con el tipo I (PM)-A(MH).
domingo, 5 de junio de 2011
Cemento Portland Tipo IS.
Se puede usar el cemento portland de alto horno, tipo IS, para la construcción en concreto en general. El uso histórico de cementos mezclados con escorias data del inicio del siglo XX en Europa, Japón y América del Norte (Abrams 1925). En la producción de estos cementos, la escoria granulada de alto horno tanto se muele juntamente con el clínker del cemento portland como se la muele separadamente y se la mezcla con el cemento portland o entonces se lo produce con la combinación de molienda conjunta y mezclado. El contenido de escoria de alto horno en este cemento está entre 25% y 70% de la masa del cemento. Hay otras subcategorías (propiedades especiales opcionales) tales como aire incluido, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación que se especifican con la adición de los sufijos A, MS, MH. Por ejemplo, un cemento portland de alto horno con aire incluido que tiene moderada resistencia a los sulfatos sería llamado Tipo IS-A(MS). Consulte Klieger y Isberner (1967) y PCA(1995).
Cementos Hidráulicos Adicionales (Mezclados o Compuestos) en los EE.UU.
En la construcción en concreto, se usa el cemento adicionado (mezclado, compuesto o mezcla) de la misma manera que el cemento portland. Se lo puede emplear como el único material cementante en el concreto o se lo puede usar en combinación con otros materiales cementantes suplementarios, adicionados en la planta de concreto o mezcladora (hormigonera). Normalmente, se especifica el uso del cemento mezclado en combinación con puzolanas y escorias locales. Si se emplea un cemento mezclado o un cemento portland sólo o en combinación con puzolanas o escorias, se debe ensayar el concreto para la verificación de la resistencia, durabilidad y otras propiedades requeridas por la especificación del proyecto (PCA1995 y Detwiler, Bhatty y Bhattacharja 1996).
Los cementos adicionados se producen por la molienda uniforme y conjunta o por la mezcla de dos o más tipos de materiales finos. Los materiales principales son cemento portland, escoria granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice, arcilla calcinada, otras puzolanas, cal hidratada y combinaciones premezcladas de estos materiales (Fig. 2-19). Los cementos hidráulicos mezclados necesitan estar en conformidad con la ASTM C 595 (AASHTO M 240), Especificación para Cementos Hidráulicos Mezclados (Specification for Blended Hydraulic Cements) o ASTM C 1157, especificación de Desempeño de Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements).
La ASTM C 595 establece cinco clases principales de cementos adicionados:
Tipo IS Cemento portland alto horno
Tipo IP y Tipo P Cemento portland puzolánico
Tipo I (PM) Cemento portland modificado con puzolana
Tipo S Cemento de escoria o siderúrgico
Tipo I (SM) Cemento portland modificado con escoria
Fig. 2-19. Los cementos adicionados usan una combinación de cemento portland o clinker y yeso mezclados o molidos juntamente con puzolanas, escorias o ceniza volante. La ASTM C 1175 permite el uso y la optimización de todos estos materiales, simultáneamente si necesario, para producirse un cemento con propiedades óptimas. Se enseñan el cemento adicionado (al centro) rodeado por (derecha y en el sentido del reloj) clinker, yeso, cemento portland, ceniza volante, escoria, humo de sílice y arcilla calcinad.
Los cementos tipos IS, IP, P, I(PM) y I(SM) son de uso general (Fig. 2-12), más adelante, se presentan estos tipos de cemento y las subcategorías.
La AASHTO M 240 también usa estas clases para los cementos mezclados. Los requisitos de la M240 son casi idénticos a los de ASTM C 595.
La ASTM C 1157 presenta seis tipos de cementos mezclados, los cuales van a ser discutidos bajo “Cementos Hidráulicos”. Los cementos mezclados que estén de acuerdo con los requisitos de la C 1157, satisfacen a los requisitos de los ensayos de desempeño físico sin restricciones de ingredientes o composición química del cemento.
Esto permite que el productor de cemento, visando optimizar las propiedades de resistencia y durabilidad, use una gran variedad de materiales cementantes, tales como clínker portland, escoria de alto horno, humo de sílice y arcilla calcinada (Fig. 2-19).
Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 595 y de la AASHTO M 240:
Cemento Portland Blanco.
El cemento portland blanco es un cemento portland distinto del gris básicamente en el color. Este cemento se produce de acuerdo con las especificaciones de la ASTM C 150, normalmente tipo I o tipo III. El proceso de producción se controla de tal manera que el producto final sea blanco.
Fig. 2-18. El cemento portland blanco se utiliza en concreto arquitectónico blanco o de colores claras, variando de (de la izquierda para la derecha) terrazos para pisos, enseñado aquí con cemento blanco y agregado de granito verde (68923), para miembros decorativos estructurales premoldeados o moldeados en obra (68981), para el exterior de los edificios. La foto de la derecha muestra el edificio en concreto premoldeado blanco de la sede de la ASTM en West Conshohocken, Pennsylvania.
Cementos con Aire Incluido.
La ASTM C 150 y la AASHTO M 85 presentan especificaciones para tres cementos con aire incluido (incorporado) (Tipos IA, IIAy IIIA). Ellos corresponden a la composición de los cementos ASTM tipos I, II y III, respectivamente, a excepción de que, durante su producción, se muelen pequeñas cantidades de material incorporador (inclusor) de aire juntamente con el clínker. Estos cementos producen un concreto con una resistencia a congelamiento y deshielo mayor. Tales concretos contienen burbujas minúsculas de maire, bien distribuidas y completamente separadas. El aire incluido en la mayoría de los concretos se logra a través del uso de aditivos inclusores de aire, y no del uso de cemento con aire incluido. Los cementos con aire incluido están disponibles apenas en algunas regiones.
Cemento Portland Tipo V.
El cemento tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos – principalmente donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos
(Fig. 2-13 hasta 2-15). Su desarrollo de resistencia es más lento que en el cemento tipo I. La Tabla 2-2 trae la lista de las concentraciones de sulfatos que requieren el uso del cemento tipo V. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico, no excediendo a 5%. El uso de baja relación agua- materiales cementantes y baja permeabilidad son funda- mentales para el buen desempeño de cualquier estructura expuesta a los sulfatos. Incluso el concreto con cemento tipo V no puede soportar una exposición severa a los sulfatos si tiene alta relación agua- materiales cementantes (Fig. 2-15 superior). El cemento tipo V, como otros cementos, no es resistente a ácidos y a otras substancias altamente corrosivas.
La ASTM C 150 (AASHTO M 85) permite un enfoque físico y químico (ASTM C 452 ensayo de expansión) para la garantía de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo V.
Se puede especificar cualquiera de los enfoques tanto físico como químico, pero no ambos simultáneamente.
Cemento Portland Tipo IV.
El cemento tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento tipo IV en estructuras de concreto masivo (hormigón masa), tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada (Fig. 2-16).
El cemento tipo IV raramente está disponible en el mercado.
Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatur
Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatur
Cemento Portland Tipo III.
El cemento tipo III ofrece resistencia a edades tempranas, normalmente una semana o menos. Este cemento es química y físicamente similar al cemento tipo I, a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover las cimbras (encofrados) lo más temprano posible o cuando la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, su empleo permite una reducción en el tiempo de curado (Fig. 2-17). A pesar de que se puede usar un alto contenido de cemento tipo I para el desarrollo temprano de la resistencia, el cemento tipo III puede ofrecer esta propiedad más fácilmente y más económicamente.
Fig. 2-17. Los cementos de alta resistencia inicial se usan donde la resistencia temprana es necesaria, tales como (de la izquierda para la derecha) colocación en tiempo frío, pavimentos de rápida habilitación al tránsito (fast track) para minimizar los embotellamientos y rápida remoción de las cimbras para la concreto premoldeado.
Cemento Portland Tipo II.
El cemento tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros expuestos a suelos o agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa (consulte la Tabla 2-2 y las Fig. 2-13 a 2-15). El cemento tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C3A).
Los sulfatos en suelos húmedos o en agua penetran en el concreto y reaccionan con el C3Ahidratado, ocasionando expansión, descascaramiento y agrietamiento del concreto.
Algunos compuestos de sulfato, tales como los sulfatos de magnesio, atacan directamente el silicato de calcio hidratado.
Para controlar el ataque del concreto por los sulfatos, se debe emplear el cemento tipo II acompañado del uso de baja relación agua-material cementante y baja permeabilidad.
La Figura 2-13 (izquierda) ilustra la mejoría de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo II en comparación al cemento tipo I.
El concreto expuesto al agua del mar normalmente se produce con el cemento tipo II. El agua del mar contiene cantidades considerables de sulfatos y cloruros. A pesar de la capacidad de los sulfatos del agua del mar en atacar el concreto, la presencia de los cloruros inhibe la reacción expansiva, que es una característica del ataque por sulfatos.
Los cloruros y los sulfatos están ambos presentes en el concreto y compiten por las fases aluminato. Los productos de la reacción del ataque por sulfatos son mucho más solubles en la solución de cloruros y se pueden lixiviar del concreto. Las observaciones de muchas fuentes muestran el desempeño en agua del mar de los concretos con cemento portland con un contenido de C3Atan alto cuanto 10%.
Estos concretos han presentado durabilidad satisfactoria, desde que su permeabilidad sea baja y haya un recubrimiento adecuado del acero de refuerzo (armadura) (Zhang, Bremner, y Malhotra 2003).
Los cementos tipo II, especialmente producidos para satisfacer a los requisitos de moderado calor de hidratación, una opción de la ASTM C 150 (AASHTO M 85), van a generar una tasa de liberación de calor más lenta que el cemento tipo I y la mayoría de los cementos tipo II. El comprador tiene la opción de especificar el requisito de moderado calor de hidratación. Un cemento en el cual se especifica el máximo calor de hidratación se lo puede utilizar en estructuras de gran volumen, tales como pilares (pilas, estribos) y cimientos (cimentaciones, fundaciones) grandes y muros (paredes) de contención de gran espesor (Fig. 2-16). Su empleo va a disminuir la subida de temperatura y la temperatura relacionada con la fisuración, la cual es especialmente importante cuando se cola el concreto en clima caluroso.
Debido a su disponibilidad, el cemento tipo II se utiliza, algunas veces, en todas las partes de la construcción, sin tener en cuenta la necesidad de resistencia a los sulfatos o de moderado calor de hidratación. Algunos cementos se pueden etiquetar con más de una designación, por ejemplo Tipo I/II. Esto simplemente significa que tal cemento atiende a los requisitos de ambos los cementos tipo I y tipo II.
Fig. 2-13. (Izquierda) Desempeño en suelos con sulfatos de concretos preparados con diferentes tipos de cemento. Los cementos tipos II y V tienen menor contenido de C3A, lo que mejora la resistencia a los sulfatos. (Derecha) La mejoría de la resistencia a los sulfatos resultante de la baja relación agua-materiales cementantes, como demostrado por vigas de concreto expuestas a suelos con sulfatos en un ambiente de mojadura y secado. Se presentan los promedios para concretos conteniendo una gran variedad de materiales cementantes, incluso los cementos tipos I, II, V, cementos adicionados, puzolanas y escorias. Véase la Fig.2-15 para la ilustración de las tasas y la descripción de las vigas de concreto. (Stark 2002)
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Tabla 2-2. Tipos de Cemento Requeridos para la Exposición del Concreto a los Sulfatos en Suelo o en Agua
*Agua de mar.
**También se pueden utilizar puzolanas o escorias que, a través de ensayos o registro de servicio, mostraron ser capaces de mejorar la resistencia a los sulfatos. Método de ensayo: Método para la determinación de la Cantidad de Sulfatos Solubles en el Suelo (Suelo o Rocas) y Muestras de Agua, Departamento de Recursos Hídricos Norteamericano (U.S. Bureau of Reclamation, 1977).
Fig. 2-14. Los cementos de moderada resistencia a los sulfatos y alta resistencia a los sulfatos mejoran la resistencia a los sulfatos de los miembros de concreto, tales como (de la izquierda a la derecha) losas sobre el suelo, tubería y postes de concreto expuestos a suelos con alto contenido de sulfatos
Fig. 2-15. Las muestras de pruebas usadas en el ensayo de sulfatos en ambiente externo en Sacramento, California son vigas de 150 x 150 x 760 mm (6 x 6 x 30 pulg.).Se ilustra la comparación de las tasas: (superior) la tasa de concretos de 5 hasta 12 años, preparados con cemento tipo V y relación agua-cemento de 0.65; y (inferior) la tasa de concretos de 2 hasta 16 años, preparados con cemento tipo V y relación
agua-cemento de 0.38
Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatura
Cemento Portland Tipo I.
El cemento tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tanques, embalses, tubería, unidades de mampostería y productos de concreto prefabricado y precolado (Fig. 2-12).
Fig. 2-12. El uso típico del cemento normal o el uso general incluye (de la izquierda a la derecha) pavimentos de autopistas, pisos, puentes y edificios
Tipos de Cemento Portland en los EE.UU.
Se fabrican diferentes tipos de cemento portland para satisfacer a varios requisitos físicos y químicos para aplicaciones específicas. Los cementos portland se producen de acuerdo con las especificaciones ASTM C 150, AASHTO M 85 o ASTM C 1157.
La ASTM C 150, Especificaciones de Norma para el Cemento Portland (Standard Specification for Portland Cement), designa ocho tipos de cementos, usando los números romanos, como sigue:
Tipo I Normal
Tipo IA Normal con aire incluido
Tipo II Moderada resistencia a los sulfatos
Tipo IIA Moderada resistencia a los sulfatos con aire incluido
Tipo III Alta resistencia inicial (alta resistencia temprana)
Tipo IIIA Alta resistencia inicial con aire incluido
Tipo IV Bajo calor de hidratación
Tipo V Alta resistencia a los sulfatos
La AASHTO M 85, Especificaciones para el Cemento Portland (Specification for Portland Cement), también usa cinco designaciones para el cemento portland del I al V.
Los requisitos de la M 85 son casi idénticos a los de la ASTM C 150. Las especificaciones de la AASHTO se usan por algunos departamentos de transporte estatales en lugar de las normas ASTM.
La ASTM C 1157, Especificaciones de Desempeño para los Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements), trae seis tipos de cementos, conforme se discutirá más adelante en “Cementos Hidráulicos”.
Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 150 y de la AASHTO M 85.
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