• Author / Uploaded
• jonathan smith

Citation preview

ASIGNATURA MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Tema 3 Materiales aglomerantes

Cemento Portland. Fraguado. Endurecimiento. Propiedades. Aplicaciones.

Fraguado y endurecimiento del cemento Portland El fraguado y endurecimiento del cemento Portland se debe a la hidratación de los compuestos anhídridos.

Hidratación Primera etapa

Segunda etapa

En un período corto después que el agua y el cemento han entrado en contacto: ❑ Ocurren reacciones químicas rápidas. ❑ El agua causa una disolución inicial de los compuestos del cemento y comienza la reacción de sus constituyentes produciendo generación de calor a una alta velocidad. ❑ Dentro de aproximadamente 5 minutos la velocidad de reacción desciende a un nivel inferior, reaccionando aproximadamente el 1% del cemento en esta etapa.

Esta etapa, denominada período latente: ❑ Puede durar de una a tres horas. ❑ Las reacciones ocurren a baja velocidad debido a que los granos de cemento se mantienen cubiertos con la capa de la primera reacción. ❑ Algún endurecimiento de la pasta, que puede ser eliminada con trabajo mecánico. ❑ Las partículas están en estado floculante, y tienden a pegarse para formar un sólido débil y permeable. ❑ Los espacios intersticiales en la pasta de cemento están llenos de agua.

Fraguado y endurecimiento del cemento Portland El fraguado y endurecimiento del cemento Portland se debe a la hidratación de los compuestos anhídridos.

Hidratación Tercera etapa Al final del período latente: ❑ Otra vez ocurren reacciones químicas rápidas, debido a la ruptura de la capa protectora de los granos de cemento, dando acceso al agua. ❑ Se produce silicato tricálcico suficiente, para que la masa comience a exhibir un aumento de rigidez. ❑ Después de aproximadamente 2 a 4 horas se alcanza el fraguado inicial y de 5 a 8 horas, el fraguado final.

¿Cómo se denomina este proceso?

Cuarta etapa La cuarta etapa o período de endurecimiento: ❑ Comienza después de alcanzado el fraguado final. ❑ Las reacciones químicas continúan a velocidad decreciente hasta que todo el cemento es consumido o se agota el agua. IMPORTANTE Se evidencia la necesidad de garantizar la permanencia de agua durante todas las etapas de hidratación del cemento, a fin de que transcurra el proceso sin interrupciones.

Teorías de fraguado Coloidal

Cristalina

Según Michaelis, al entrar el agua en contacto con el cemento, se producen compuestos hidratados en disolución, los que debido a su baja solubilidad quedan en estado de sobresaturación, coagulando en forma de una masa gelatinosa impermeable alrededor de los granos de cemento. Este gel aumenta poco a poco de volumen estrechando los granos de cemento, planteando esta teoría que la hidratación aumenta en el interior del grano a expensa del gel.

Según Le Chatelier, los compuestos anhídridos son más solubles que los hidratados, y en presencia de agua forman una solución sobresaturada, precipitando parte de los compuestos hidratados en forma de microcristales, quedando un agua remanente con posibilidad de disolver nuevos compuestos anhídridos.

Ninguna de las dos teorías puede explicar completamente el fenómeno del fraguado y endurecimiento del cemento por lo que se acepta la coexistencia de ambas 4

Resumen del proceso de hidratación ❑ De lo explicado anteriormente se evidencia la importancia de garantizar la permanencia de agua en la fase líquida durante el desarrollo de la hidratación del cemento, de manera que todo grano efectúe este proceso sin dificultades. Como veremos más adelante, el método que garantiza la permanencia del agua en el interior de la pasta de cemento impidiendo su evaporación, se conoce con el nombre de curado. ❑ Se aprecia que en la misma medida que el proceso de hidratación profundiza hacia el interior del grano, éste se va haciendo más dificultoso. Por tanto, la velocidad de reacción del cemento con el agua será mayor al disminuir el tamaño promedio de los granos debido a que hay más superficie reaccionando con el agua. ❑ De lo anterior se desprende cuan importante es la finura de molido del cemento. ❑ En la misma medida que es mayor la cantidad de agua que se emplea en el amasado, mayor será el diámetro de los capilares que se desarrollan en la fase líquida, es decir, más separados se encuentran los granos de cemento entre sí y menos posibilidad habrá que estos espacios se rellenen con los productos de hidratación, lo cual según veremos con posterioridad influye desfavorablemente en la impermeabilidad y durabilidad y resistencia de los morteros y hormigones. Conclusión

Debe emplearse el agua suficiente y no más allá de la necesaria en el proceso de hidratación del cemento

5

Reacciones de hidratación (Formación de etringita) El cemento al ponerse en contacto con el agua comienza a reaccionar produciéndose los distintos productos de hidratación. En esta reacción al inicio se forma Ca(OH)2, el que proviene de la hidratación de la cal libre (CaO) que contiene el cemento y de una leve hidratación del SC3. En presencia del Ca(OH)2 y el agua, el AC3 reacciona según el doble esquema: a

b

Al2O3 . 3 CaO + 12(H2O) + Ca(OH)2

Al2O3 . 3CaO+ 3(CaSO4 . 2H2O) + 25H2O Yeso

Al2O3 . 4CaO . 13H2O 3CaO . Al2O3 . 3CaSO4 . 31H2O Etringita

Ambos aluminatos hidratados forman una capa protectora insoluble (gel) alrededor del grano de cemento que impide la penetración del agua, retrasando el fraguado, lo que explica el papel retardador del yeso. La etringita, al reaccionar aumenta de volumen pero debido a que lo hace en el seno de una pasta en estado fresco (primeras reacciones que se producen), no causa destrucción al conjunto. Es decir, que el principio del fraguado está ligado a la reacción del AC3. 6

Formación de tobermorita y portlandita El endurecimiento comienza con la formación progresiva de silicatos hidratados. El SC3 (3CaO . SiO2) al reaccionar con el agua da: 2(3CaO . SiO2) + 6H2O Y el SC2 (2CaO . SiO2) produce:

2(2CaO . SiO2) + 4H2O

3CaO . 2SiO2 . 3H2O + 3Ca(OH)2 Tobermorita

Portlandita

3CaO . 2SiO2 . 3H2O + Ca(OH)2 Tobermorita

Portlandita

Se aprecia que el SC3 y el SC2 originan la misma cantidad de tobermorita. Este compuesto es el que comunica la resistencia a la pasta de cemento endurecida, sin embargo, la velocidad de hidratación del SC3 es mucho más rápida que la del SC2. Por otra parte el Ca(OH)2 es el elemento básico que contribuye a la mayoría de los tipos de corrosión de los hormigones. Se puede observar que el SC3 desprende tres veces más Ca(OH)2 que el SC2, por lo que en la medida que un cemento tenga un mayor contenido de SC3, será menos estable químicamente. Por último, El FAC4 reacciona de acuerdo a la siguiente reacción:

4CaO . Fe2O3 . Al2O3 + H2O

3CaO . Al2O3 . 5H2O + CaO . Fe2O3 . 6H2O 7

Falso fraguado En los hormigones se puede producir un endurecimiento rápido inmediatamente después del amasado, lo que se conoce como falso fraguado. El falso fraguado se debe a que durante la molienda del clinker, al que se le agrega un por ciento de yeso, la temperatura sube por encima de 1500C, con lo que el dihidrato de calcio (CaSO4. 2H2O) experimenta deshidratación, pasando a semihidrato (CaSO4. ½ H2O). El semihidrato es un elemento muy ávido de agua, por lo que al ponerse en contacto con el agua de amasado del hormigón, tiende a recuperar su una y medio molécula de H2O, pasando nuevamente a piedra de yeso (CaSO4. 2H2O) lo que provoca el endurecimiento precoz arriba explicado. Los hormigones fabricados con cementos que presentan falso fraguado, una vez mezclados en la hormigonera, se deben dejar reposar en el interior de ésta durante algunos minutos, transcurrido lo cual volverá a amasarse durante dos o tres minutos, con lo que se logra destruir el falso fraguado.

Sin embargo, nunca debe añadirse más agua al hormigón con vistas a destruir este falso fraguado. ¿Qué implicaría añadir mas agua? Resumir hasta aquí

8

Propiedades del cemento 1 Finura de molido:

El aumento de la finura de molido contribuye a que: ❑ Aumenten las resistencias mecánicas. ❑ Aumenten la velocidad de reacción del agua y el cemento, por cuanto aumenta la superficie donde se realizan estas reacciones; sin embargo, cuando se desea un fraguado rápido, esta ventaja se convierte en desventaja. ❑ Disminuya la posibilidad de que quede materia en el seno de los granos de cemento sin reaccionar. ❑ Se incremente el calor de hidratación, lo que también constituye una desventaja.

Penetración del agua en los granos de cemento

Edad de la pasta en días 1 7 28 90 180

Penetración del agua en micras 0,5 1,7 3,5 5 10

Por ciento de resistencia 25 75 100 -

9

Propiedades del cemento Determinación de la finura de molido:

Se determina por dos métodos principales: • El por ciento retenido en un tamiz de un tamaño de abertura determinado (Se emplea el tamiz de 4900 mallas por cm2). • El valor de la superficie específica, determinada mediante el turbidímetro o el permeabilímetro de Blaine.

Especificaciones de finura del cemento Portland según la Norma Cubana NC 95:2011

Ensayo

Calidad del cemento P-25

P-35

P-45

Residuo sobre el tamiz de 4900 mallas por cm2 en por ciento máximo

10

8

6

Superficie específica mínima según Blaine

2800

2900

3200

10

Propiedades del cemento 2 Calor de hidratación:

La reacción del cemento con el agua se caracteriza por ser exotérmica, es decir, que al efectuarse provoca un desprendimiento de calor. Este calor desprendido es lo que se conoce con el nombre de calor de hidratación. La intensidad de este calor desprendido depende de: A. La composición química del cemento: ❑ Aumenta con el incremento de AC3 en el cemento. ❑ Aumenta, aunque en menor grado, con el aumento de SC3. ❑ Disminuye con un incremento de FAC4 y del SC2, por lo que resulta ésta una de las vías para reducirlo. B. La finura del cemento: ❑ A mayor finura el calor de hidratación crece.

Métodos de determinación

❑ El de la botella aislante. ❑ El del calor de disolución. 11

Propiedades del cemento Calor de hidratación de los componentes del cemento determinado por el calor de disolución según Lech y Bogue

Componente

Símbolo

Calor desprendido en calorías por gramo

Al2O3 . 3CaO

AC3

207 ± 3

SiO2 . 3 CaO

SC3

120 ± 3

Fe2O3 . Al2O3 . 4CaO

FAC4

100 ± 3

SiO2 . 2 CaO

SC2

62 ± 3

CaO

279 ± 3

MgO

203 ± 3

Este fenómeno tiene importancia en las construcciones donde sea necesario colocar grandes volúmenes de hormigón en que el alto calor de hidratación puede provocar el agrietamiento del material 12

Propiedades del cemento 4 Peso específico: El peso específico de los cementos Portland generalmente se encuentran entre 3,10 a 3,15, describiéndose en los procedimientos para los ensayos de laboratorio la forma de determinarlo. Queda claro que ello no puede hacerse sumergiéndolo en agua como se hace por ejemplo con los áridos, puesto que reaccionaría con la misma. Por ello se emplean líquidos inertes con el cemento, tales como la bencina, la parafina líquida, etc.

El uso principal del peso específico del cemento en la actualidad es en la dosificación de hormigones.

13

Propiedades del cemento 5 Estabilidad de volumen: Las pastas de cemento sufren variaciones de su volumen durante el proceso de fraguado y endurecimiento, las que pueden ser de retracción y de expansión. Retracción Expansión

Consiste en una contracción que experimenta la pasta y que influye sobre la contracción total de los morteros y hormigones. Puede ser por: ❑ Pérdida del agua de amasado. ❑ La influencia del tipo de cemento en correspondencia con sus componentes.

Las pastas puras, morteros u hormigón experimentan aumentos de volumen en presencia de humedad debido a una lenta hidratación de algunos componentes. Puede ser por: ❑ El yeso: Un exceso de CaSO4 2H2O puede provocar una expansión que empieza a manifestarse después de algunos días y que se debe a la formación de sulfoaluminatos de cal, ❑ La cal libre y magnesia: Que es peligrosa si una parte de ella no tuvo tiempo de hidratarse antes del fraguado, siendo la transformación acompañada de un fuerte aumento de volumen.

Propiedades del cemento 6 Consistencia normal y tiempos de fraguado inicial y final:

La consistencia normal determina la cantidad mínima de agua requerida para el fraguado del cemento. Se expresa mediante la relación en peso entre la cantidad de agua y cemento, expresada en tanto por ciento. Para los cementos Portland normales la consistencia normal estará entre el 20 y el 30 %. El tiempo de fraguado inicial determina el periodo de tiempo, medido desde el amasado de la pasta, en el cual esta se encuentra en un estado que permite ser modelada con relativa facilidad sin que se alteren considerablemente sus propiedades físicas y químicas. El tiempo de fraguado final determina al período de tiempo, medido desde el amasado de la pasta, hasta el momento en que debido a las reacciones de hidratación del cemento, ésta tiene casi la consistencia de un material sólido. Según la NC 95:2001, el tiempo de fraguado inicial para el cemento Portland debe ser de 45 minutos; y el de fraguado final de 10 horas. La consistencia normal y los tiempos de fraguado se determinan por el equipo de Vicat en correspondencia con los procedimientos establecidos. 15

Aplicaciones del cemento Portland ¿Cuáles son las aplicaciones del cemento Portland? Las aplicaciones fundamentales del cemento Portland son: ❑ Confección de morteros y hormigones para su uso in situ o en la fundición de elementos prefabricados en forma de vigas, columnas, losas, bloques, bovedillas, laminas de asbesto cemento, etc. ❑ Inyecciones de grietas en suelos o en obras. ❑ Estabilización de suelos. Sin embargo, para cada aplicación concreta, la NC 845:2011 establece los usos concretos de cada tipo de cemento Portland. Además de ella, la NC 95:2011: Cemento Portland – especificaciones, abunda sobre las peculiaridades de este cemento.

16

Conclusiones ❑ Proceso de fraguado y endurecimiento del cemento Portland. ❑ Propiedades del cemento Portland. ❑ Aplicaciones del cemento Portland. ¿Cómo ocurre el proceso de hidratación del cemento Portland?

¿Qué es el curado y por qué es necesario este proceso?

¿Cómo influye el módulo de finura en la resistencia mecánica del cemento?

17