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• Jeanmarco Felipe Manrique Purizaca

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MATERIALES AGLOMERANTES1

Se encuentran comprendidos todos aquellos materiales que tienen la propiedad de unirse y adherirse a otros, de tal manera que integren una unidad que permita autosustentarse, proteger y/o transmitir adecuadamente las cargas de trabajo y exhibir propiedades que permitan un adecuado comportamiento ante la acción de los agentes naturales que lo rodean. Los aglomerantes pueden ser inorgánicos u orgánicos. Entre los aglomerantes inorgánicos se comprenderán el Yeso, la Cal, la Puzolana, el Cemento y el Suelo. Los aglomerantes orgánicos más empleados en construcción quedan englobados como materiales bituminosos. 1.0. AGLOMERANTES INORGÁNICOS En general, los aglomerantes inorgánicos tienen un alto porcentaje de porosidad, desde el punto de vista mecánico, todos son frágiles y la resistencia mecánica que suele caracterizar a estos materiales es la resistencia a la comprensión. 1.1.CLASIFICACIÓN Los aglomerantes inorgánicos se clasifican en Aéreos e Hidráulicos, clasificación que obedece a la estabilidad de estos aglomerantes frente a la acción del agua. Es de observarse que dentro de cada grupo el aglomerante no solo depende de los componentes sino también del proceso de obtención. 1.1.1. AGLOMERANTES AEREOS Quedan comprendidos en esta clasificación aquellos aglomerantes que fraguan y endurecen solo en el aire. Entre estos se tienen el Suelo, el Yeso de Construcción y la Cal aérea y apagada. 1.1.2. AGLOMERANTES HIDRAULICOS Se les denomina así a los aglomerantes que fraguan y endurecen sea en medios húmedos o en el aire. El principal aglomerante hidráulico, pero no el único, es el cemento.

1.2. CONCEPTOS GENERALES Los conceptos definidos a continuación se precisan a fin de dar claridad y fluidez en los temas a tratarse. 1.2.1. FRAGUA. En general, los aglomerantes inorgánicos empleados en la construcción se pulverizan antes de ser empleados por lo que requieren ser mezclados con una cierta cantidad de agua a fin de formar una pasta plástica que permita la trabajabilidad. Con excepción del Suelo y la Cal, el 1

Preparado por MSc. Víctor Manuel Sevilla. 1

agua es también necesaria para originar reacciones y transformar el material pulverulento en otro que permita obtener cierta resistencia. Esa reacción puede ser o no exotérmica. Se denomina fragua al cambio de estado de una masa plástica a una sólida. El tiempo de fragua puede variar de unos minutos a días incluso, y depende del aglomerante por un lado, y para un mismo aglomerante, depende de la finura, temperatura y humedad del medio. 1.2.2. ENDURECIMIENTO. Etapa que se inicia una vez concluida la fragua y que se manifiesta en un incremento de las resistencias mecánicas con el tiempo. 1.2.3. PASTA Mescla de un aglomerante más agua. 1.2.4. MORTERO Puede ser simple o bastardo. I. II.

Mortero simple. Mezcla de un aglomerante, agua y arena. Mortero Bastardo. Semejante al anterior, al cual se le ha añadido otro aglomerante.

1.2.5. TRABAJABILIDAD Se entenderá por trabajabilidad la facilidad con que una mezcla puede ser acomodada sin que se genere segregación de los componentes.

2. YESO 2.0. GENERALIDADES Se considera que probablemente fue el Yeso el primer material cementante en ser manufacturado. Se reporta su presencia en las pirámides de Egipto que datan de 2,200 A.C. este material es de color blanco predominantemente, variando la coloración en función de las impurezas que contenga la piedra de yeso o también denominada algez. El uso del yeso, no obstante sus bondades, es bastante limitado en nuestro medio. Se circunscribe a la manufactura del cemento, enlucidos y resanes, y fuera del área de construcción civil, en agricultura y escultura principalmente. 2.1. DEFINICION El Yeso es un mineral natural cuya composición mayoritaria es CaSO42H2O, Sulfato de Calcio Bihidratado. Es soluble en agua, tiene una dureza de 2 en la escala de Mohs y una densidad de 2.32. Las impurezas más comunes son la Cal (CaCO3) y óxidos de Fierro (Fe2O3) y Aluminio (Al2O3) 2.2. FORMAS. El Yeso se encuentra en 5 diferentes formas. Las formas reconocidas son las siguientes: 2

I.

II.

III. IV.

V.

Gypsita. Se encuentra en forma muy fina mezclado usualmente con el suelo superficial. Tiene por lo general un contenido alto de impurezas por lo que no es usado en construcción, siendo más bien empleado en agricultura como defloculante de suelos pesados o como cohesionador de suelos sueltos. Yeso Fibroso. Se encuentra en pequeñas venas, sea en depósitos en masiva presencia de piedra de Yeso ó en las paredes adyacentes a estos depósitos. Las cantidades en las que se encuentra no resultan atractivas para su explotación. Selenita. Es el nombre que se le da al Yeso cristalizado. Es incoloro y transparente o bien foliado y translúcido. Yeso Arenoso. Aquel yeso que consiste en pequeños cristales de yeso transportados por la acción eólica formando depósitos naturales importantes. Sin embargo es de observar la presencia de óxidos y sulfatos contaminantes que afectan seriamente su explotación. No se tienen referencia de este tipo de yeso en el Perú. Piedra de Yeso. Es la forma más común de encontrar este mineral. Es el tipo que se emplea para obtener el Yeso de Construcción. Cuando la granulación es bastante fina y translúcido es denominado Alabastro y usado para fines ornamentales.

2.3.YESO DE CONSTRUCCION. El Yeso de construcción es el producto de la deshidratación total o parcial de la piedra de Yeso. Una vez deshidratado es pulverizado y envasado. El Yeso más común en nuestro medio es el Semihidratado llamado también Yeso de Paris, el cual es obtenido cuando la piedra de Yeso es sometido a una temperatura de 130 a 150°C en la que pierda por evaporación 1.5 moléculas de agua quedando CaSO41/2H2O. Este al mezclarse con agua reacciona rápidamente retornando a su composición original. La reacción que ocurre es la siguiente: CaSO41/2H2O + 11/2 H2O Sulfato de Ca Semihidratado + Agua

CaSO42H2O Piedra de Yeso

El semihidrato puede ser subdividido en 2 tipos, el Alfa y Beta. El Alfa es más estable que el beta, por lo que es menos reactivo, hecho que se manifiesta en un comparativo lento desarrollo de la resistencia, pero que resulta más denso y duradero. El tipo Alfa se obtiene a una temperatura de cocción de 100°C conjuntamente con vapor y alta presión, por lo que resulta más costoso que el Beta. 2.4.YESO ANHYDRO A temperaturas superiores a los 170°C se obtiene un Sulfato de Calcio anhydro. El Yeso Anhydro es más resistente que el yeso de construcción y tarde más en fraguar. 2.5.AGUA DE CONSISTENCIA NORMAL Se define como la cantidad de agua requerida por el aglomerante para su hidratación. Teóricamente, el contenido de agua para rehidratar 100 gr. de Semihidrato es de 18.3 gr. 3

El agua de consistencia normal se determina con el aparato de Vicat y para el Yeso fabricado en nuestro medio este valor suele hallarse alrededor del 40% del peso de Yeso. Empleando el aparato de Vicat se dice que el agua de Consistencia Normal es aquella en la que el émbolo de 1 cm2 penetra en la pasta 30 + 2 mm. Sin embargo para efectos prácticos a fin de obtener una trabajalidad adecuada la cantidad de agua empleada es mayor. Como resultado de esa mayor adición de agua la porosidad del material aumenta con el consecuente decremento de la resistencia que lo hace a su vez más vulnerable al ataque de agente externos. 2.6.TIEMPO DE FRAGUA El Yeso de construcción fragua rápidamente. Se inicia a los 3 minutos y concluye en un tiempo que no deber ser menor de 12 minutos ni mayor de 20. Entre los factores de influyen en la variación del tiempo se encuentra la finura, impurezas, Yeso sin cocer y tiempo de almacenamiento. Va a acompañado de una reacción exotérmica y una dilatación. Durante la fragua el Yeso se rehidrata y cristaliza en forma de agujas muy finas las cuales se enlazan entre si lo que determina ese incremento de volumen y resistencia. El fenómeno de fragua del Yeso explica por qué el Yeso de construcción no se mezcla con cantidades significativas de material inerte. Es del caso precisar, que el Yeso de Construcción empleado en nuestro medio no tiene un control de calidad, por esa razón las variaciones en el tiempo de fragua inclusive pueden ser aún mayores a las indicadas líneas arriba. La velocidad del fraguado puede retardarse añadiendo bórax, queratina, azúcar y cloruro de Calcio. Entre los acelerantes se puede mencionar el Cloruro de Sodio, cloruro de Mg, Nitrato de K. Los retardantes disminuyen la solubilidad del semihidrato y los acelerantes la incrementan.

2.7.PROPIEDADES El Yeso siendo un aglomerante aéreo es soluble en agua, por tal razón su durabilidad es limitada en exteriores. Sin embargo, puede protegerse con pintura o algún repelente. De otra parte, en climas secos un adecuado diseño arquitectónico permitirá una adecuada durabilidad de este material en exteriores. Una propiedad importante del Yeso es su resistencia al fuego. La acción del fuego es limitada por el calor absorbido por el Yeso y por el vapor de agua que éste libera. Este comportamiento es mejorado si se mezcla con fibras, perlita o Vermiculita puesto que mejora la coherencia que por sí mismo el Yeso ante la acción del fuego, la pierde. La fibra de vidrio ha dado buenos resultados manteniendo la integridad del elemento, inclusive aún después de la acción del fuego, ha mantenido resistencias aceptables. El Yeso es un buen aislante acústico y térmico. Exhibe poca adherencia con la piedra y la madera y oxida al hierro.

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El Peso específico del Semihidrato es de 2.7 y un peso volumétrico de 900 Kg/m3. La resistencia a la compresión de una pasta preparada con Agua de Consistencia Normal con Yeso de nuestro medio alcanza hasta los 74 Kg/cm2 y lo usual es que se encuentre alrededor de los 42 Kg/cm2. La resistencia a la tracción para una pasta con agua de consistencia normal es no menor de 12 Kg/cm2. 2.8.

FABRICACION

Esquemáticamente la fabricación del yeso sigue la siguiente secuencia:

Extracción

Trituración

Cocción

Molienda

Almacenado

Envasado

Extracción. El procedimiento de extracción depende de la cantera en sí mismo, pudiendo ser a cielo abierto o galerías empleando explosivos. Trituración. Se efectúa empleando chancadoras de mandíbulas o molino de bolas. Se procura reducir el tamaño de la piedra de Yeso al mínimo posible con la finalidad de obtener una mejor deshidratación y un menor requerimiento de energía en el pulverizado. Cocción. Es la parte esencial del proceso de obtención del Yeso. La temperatura mínima requerida para eliminar el agua de cristalización es de 130°C a fin de facilitar el secado. Artesanalmente, lo usual es encontrar hornos intermitentes o simplemente la piedra de Yeso es acomodada de tal manera que se forme una bóveda encontrándose al centro el combustible que puede ser leña, hojas y ramas. La calidad del producto final no es la mejor. Industrialmente el Yeso es fabricado empleando hornos giratorios, calderas y autoclaves. Para hornos giratorios y autoclaves, el material es empleado luego de la trituración en tanto que para el empleo de Calderas, se recomienda que la piedra de Yeso haya sido triturada previamente. Molienda. Para esta etapa del proceso se emplea molinos giratorios o molinos desintegradores. El primero de los mencionados es bastante efectivo y es el más empleado. Luego, es cernido. Esta etapa requiere de mucha energía incrementando el costo ese requerimiento obedece a una propiedad del material como es la elasticidad. Dependiendo del proceso la molienda puede efectuarse antes de la Calcinación. Lo usual es que se efectué después, observándose en este caso que el tiempo de último procedimiento se le conoce también como método francés, y es el procedimiento que se sigue para obtener el Yeso para escultura.

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Almacenado. Puede efectuarse u obviarse. Conviene usar el Yeso en el menor tiempo posible a fin que no se hidrate o “Pase”. De ser almacenado debe hacerse en silos herméticos. Envasados. El envasado se hace en bolsas de papel o plástico y las cantidades varían entre 20 y 30 Kg. 2.9. APLICACIONES. El mayor empleo del Yeso ocurre como retardante en la manufactura del Cemento Portland. En la construcción, es principalmente empleado para acabados, sea en enlucido y acabados decorativos de muros o tabiques, denominado también estucos. En otros medios, el Yeso tiene un uso más amplio en la industria de la construcción que en nuestro país. Se emplea en la obtención de elementos prefabricados de bajo peso como bloques y paneles reforzados con fibras naturales o artificiales. La adición de fibras puede hacerse bien como componente de la mezcla o cuando la mezcla fresca ha sido colocada sobre la forma. El inconveniente de adicionar la fibra al momento de la mezcla está en las dificultad de mezclar adecuadamente el volumen mínimo necesario en la que la fibra tiene efecto mejorador de las propiedades mecánicas del Yeso. El volumen mínimo y longitud de fibra depende de la fibra usada. Para el caso de colocar la fibra sobre la mezcla fresca, esta varía entre 300 y 400 g/m2 cuando es natural, y para fibra de vidrio, se encuentra alrededor de 30 a 40 gr/m2 por milímetro de espesor. El Yeso es también empleado con refuerzo de malla de alambre galvanizado lo que permite su uso en tabiques y dinteles. Es también empleado reforzado con papel, colocándose el papel en las superficies exteriores. 2.10. OTRAS VARIEDADES DE YESO 2.10.1. CEMENTO KEENE A temperaturas superiores a los 200°C el sulfato pierde su capacidad cementante así como la capacidad de rehidratarse. Si el Yeso de Construcción es mezclado con una solución tibia de aluminio y Sulfato de Potasio, se deja secar y luego se calcina a una temperatura de 400 a 500°C y se pulveriza, se obtiene un material cementante llamado Cemento Keene. Este aglomerante es más resistente y estable que el Yeso de Construcción. Puede también obtenerse empleando una solución de Borax, Potasio ó Carbonato de Na. 2.10.2. YESO HIDRAULICO A temperaturas mayores de 1,000°C se produce la disociación de los componentes formándose CaOy SO2(Cal y anhydrita respectivamente). Este material de color amarillento a rojizo pulverizado y mezclado con agua fragua muy lentamente y brinda un material resistente que es incluso empleado para pisos.

2.11. NORMAS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Las normas de la ASTM que se indican a continuación, pueden ser tomadas para determinar la calidad y propiedades del yeso a emplearse. También se incluye la norma 6

que precisa las características que deben reunir los agregados inorgánicos que se vayan a emplear con el Yeso. ASTM C 22. Especificación de la composición química. ASTM C 35. Características de los agregados inorgánicos y resistencia mínima a la comprensión que debe tener el mortero de Yeso. ASTM C 471.procedimiento a seguir para determinar los componentes químicos del Yeso. ASTM C 472. Describe los procedimientos a seguir para determinar la fineza, características físicas de la pasta, agua de consistencia normal, densidad y resistencia a la comprensión.

3. CAL La Cal es un Carbonato de Calcio que dependiendo del contenido de arcilla de la piedra caliza y temperatura de calcinación puede ser un aglomerante aéreo o hidráulico. 3.0.CAL AEREA. La Cal aérea puede ser obtenida a partir del carbonato cálcico o magnésico presente en la roca caliza la cual es abundante en la naturaleza pudiendo ser una roca sedimentaria o metamórfica. Cuando el contenido de Carbonato de Magnesio en la roca cálcica se encuentra entre 40 y 45% se le denomina comúnmente cal dolomítica. Esta variedad no es común en nuestro medio, pertenece a medios de geología más antigua. La roca cálcica de alto contenido de calcio es la más adecuada para la obtención de la cal de construcción. 3.1.OBTENCION. Se obtiene en dos etapas. En la primera etapa se calcina la piedra caliza a una temperatura de 900°C donde se disocia quedando un oxido de Calcio; ese óxido se le conoce como Cal Viva. La segunda etapa consiste en hidratar el óxido formándose un Hidróxido de Calcio que es la cal de construcción que comúnmente se emplea. En términos químicos, es como sigue: CaCO3

+

Q

Carbonato de Ca + 900°C CaO Cal Viva

+

H2O +

Apagado

CaO

+

Óxido de Ca Ca(OH)2

CO2 +

+

Bióxido de C Q

Cal de Construcción.

Antes de la calcinación, la piedra caliza es reducida en tamaño a fin de hacer más eficiente la obtención. El CO2 se pierde en la atmósfera quedando la Cal Viva que es un solido de color blanco y muy inestable por su característica avidez por el agua. La adición de agua a la Cal viva se le denomina “Apagado de la Cal”. En esta etapa se desprende calor que puede llegar a los 150°C. La cal apagada, como corrientemente 7

también se le reconoce, es un sólido blanco soluble en agua que reacciona con el CO2 del medio ambiente, volviendo a su composición original de carbonato de Calcio. 3.2.CLASIFICACION. La cal aérea se clasifica en Cal Grasa y Cal Arida o magra. I. Cal Grasa. Aquella que tiene un 5% de arcilla y un contenido de MgO inferior al 5% y otras impurezas tales como FeO2 y álcalis. Lo recomendable es que la caliza tenga el menor contenido de MgO posible. II. Cal Arida ó Magra. Se diferencia de la anterior por el mayor contenido de MgO. No se recomienda para construcción.el fenómeno que ocurre se explica porque el Oxido de Magnesio (MgO) no hidratado durante el apagado, principia a hidratarse con el agua de mezcla; esta hidratación es seguida por una expansión, la que determina la formación de grietas y vacíos en el mortero. 3.3.FRAGUADO. La cal apagada en pasta gana resistencia cuando se combina con el CO2 del medio ambiente y del que contiene el agua de la mezcla. La reacción es lenta; primero se evapora el agua de mezcla y luego se carbonata. La reacción que se presenta es como sigue: Ca(OH)2

+ H2O

+ CO2

CaCO3 + 2H2O

La cal inicia su fragua a las 24 horas de preparada la pasta y termina en un tiempo de 6 meses. Estos tiempos varían en función de las condiciones del medio y espesor de la pasta. Preferentemente el medio debe ser seco y bien ventilado. Como se observa en la reacción del fenómeno de fragua que ocurre en la cal, es de esperarse una alta porosidad, que explica las bajas resistencias obtenidas en una pasta de cal, e igualmente, la importante contracción que se observa. Así se explica el porqué la pasta de cal no se recomienda en construcción. Debe emplearse con arena, a fin de minimizar la contracción debida a la perdida del agua de la mezcla para obtener cierta rigidez o estabilidad. 3.4.PROPIEDADES. La cal de construcción tiene un peso especifico de + 2.3 y un peso volumétrico de 500 Kg/m3. Se entiende que estos valores son referenciales pues dependen de las impurezas y finura que la piedra caliza tenga. Los morteros de cal, no obstante de su plasticidad, son poco usados por su baja resistencia, y por su fragua lenta. La cal tiene una propiedad que debe ser tomada en cuenta: la capacidad de retener el agua de mezcla. Esta característica no es muy explotada en nuestro medio y es particularmente importante cuando se emplea en juntas de elementos porosos o de succión considerable, tales como los ladrillos de arcilla cocida, adobe o mampostería en general. Entre los aportes que confiere la cal como componente de un mortero bastardo se encuentran los siguientes:

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Retención del agua de mezcla; Plasticidad y Trabajabilidad; Mejora en la adherencia y; Contenido de arena mayores. Si tenemos en cuenta que el promedio de resistencia a la comprensión que soporta por lo general, una pared no mayor de 10 Kg/cm3 se podría decir de que la resistencia a la comprensión del mortero tiene poca relevancia en la resistencia de la pared. Si resulta determinante la adherencia por el efecto en la resistencia a la flexión y tensión del muro. De ahí que las ventajas que proporciona el uso de la cal en la dosificación de morteros adquieren mayor relevancia. La tabla 1 que continuación se añade, muestra los resultados obtenidos en las resistencias a la compresión y tracción observadas en un mortero Cemento: Arena 1:6, con otro Cemento, Cal, Arena 1:2:8. Tabla 1. Resultados Promedio de Comprensión y Tracción de un mortero 1:6 y 1:2:8 MORTERO 1:6 1:2:8 OBSERVACIONES Ensayo Kg/cm2 Kg/cm2 Comprensión 81.70 48.71 Los resultados de comprensión y tracción son el promedio de 12 especímenes cúbicos de 50 mm. De lado en moldes impermeables para el primer Tracción 14.62 7.06 caso,y los de tracción son conforme a la forma estipulada por la Norma ASTM C-190. El gráfico 2 detalla los resultados de adherencia por tracción, que experimentaron esos mismos morteros en ladrillos de arcilla cocida. Claramente se nota, que no obstante las diferencias observadas en los resultados de Tracción y Comprensión de los morteros bajo estudio, esta diferencia prácticamente no existe en los resultados de adherencia1. Gráfico 2.Resultados de Adherencia por tracción en ladrillo de arcilla cocida por unidad de ensayo de un mortero de Cemento y un mortero Cemento Cal, Arena. RESULTADO DE ADHERENCIA

Los morteros bastardosponen Cemento, Cal recomendados por Dispersión Gallegos que parase obras Esos resultados colateralmente de manifiesto una alta dispersión. explica de por la albañilería reproducen en la tabla 2. irregularidad de la se superficie del ladrillo empleado. 1

TABLA 2. Morteros Cemento, Cal recomendados por tipo de Uso. MORTERO CEMENTO CAL Tipo

ARENA

A

1

0-⅟4

3

Rel. agua/ cemento 0.74

B

1

½

4-4½

1.13

OBSERVACIONES

Casos especiales. Alta resist. Uso Gen. Donde se 9

C

1

1

5-6

D

1

2

8-9

1.64

emplea acero de refuerzo entre hiladas. Albañilería portante de hasta 3 niveles Albañilería no portante y acabados.

3.5.FABRICACION DE LA CAL. Las etapas en el proceso de fabricación de la Cal son semejante al visto en el Yeso. La diferencia sustantiva está en la temperatura de Cocción y el apagado. La temperatura de cocción, como se recuerda, es de 800 a 1000°C. Extracción

Trituración

Cocción

Apagado

Cernido

Envasado

Almacenado

El pagado consiste en hidratar el óxido de calcio. La hidratación conlleva un importante aumento de temperatura la que puede llegar hasta 160°C así como una expansión considerable. La cantidad de agua requerida se encuentra entre 30 y 50% del peso de la cal, sin embargo, éste puede ser mayor y depende del tipo de apagado. 3.6.TIPOS DE APAGADO. El principio es sencillo, teniendo en cuenta que debe evitarse la carbonatación. Se destacaran dos de las más empleadas. Apagado en obra. Consiste en depositar CaO en el centro del contenido de arena de la mezcla y se vierte el contenido de agua sobre la cal y se revuelve. Apagado en Autoclaves. Consiste en hidratar la cal viva mediante vapor de agua a presión. Es el procedimiento que brinda un producto de calidad uniforme. 3.7.USOS. La Cal Viva en el área de construcción civil se aplica en la estabilización de suelos arcillosos. En suelos cohesivos húmedos primero desecándolo y modifica la estructura del suelo formando grumos estables. La modificación de la estructura depende de la presencia de minerales arcillosos que reaccionan con el CaO. Gráfico 3. Efectos del Contenido de Cal en la Resistencia a la Comprensión de Suelos con diferente Índice de Plasticidad.

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La Cal apagada tiene su mayor uso como agente cementante y en la fabricación de ladrillos sílico-calcáreos. Inclusive pueden llegar a formarse componentes insolubles al largo plazo. En suelos arcillosos, un efecto adicional producido por el fenómeno de intercambio catiónico2 es la reducción de la expansión disminuyendo, la plasticidad de la arcilla haciéndola más adecuada para la compactación. En el gráfico 3 se observa claramente el efecto mejorador de la Cal viva en el suelo, siendo mucho más evidente, en los suelos plásticos. 3.8.CAL HIDRÁULICA. La Cal hidráulica se diferencia de la Cal de construcción principalmente porque puede fraguar en medios húmedos. Ello depende del contenido de arcilla que tenga la piedra caliza y de la temperatura de cocción. El contenido de arcilla de la piedra caliza debe ser superior al 5% y menor al 20%, la temperatura de cocción debe estar entre 1,100°C y 1,200°C. A la temperatura de cocción indicada, se forman silicatos y aluminatos de Calcio es función del contenido de Sílice y Alúmina de la arcilla y se clasifica en: - Débilmente hidráulica, - Moderadamente hidráulica y, - Eminentemente hidráulica. Índice Hidráulico. Es la relación entre los óxidos de sílice, Aluminio y Fierro con los óxidos de Calcio y Magnesio. SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 I= CaO + MgO

Débilmente Hidráulica I= 0.10-0.16 Medianamente Hid. I= 0.16-0.30 Eminentemente Hid. I= 0.31-0.50

Índices hidráulicos superiores a 0.5 indican más bien un cemento natural. 3.8.1. FRAGUADO. El fraguado de la Cal hidráulica resulta más complejo qe el de la Cal aérea. Se tienen diversas teorías para explicar el proceso. Quizá la más aceptada es aquella que explica la conformación de cristales insolubles en agua de silicato y aluminatos de Calcio hidratados que generan a partir de la combinación de la Cal hidráulica con el agua. Estos cristales que se forman, casi inmediatamente, se sueldan y entrelazan entre sí de una manera desordenada y explica así la resistencia que adquiere. El tiempo de fragua es variable aunque más rápido y homogéneo que el que experimenta la Cal aérea. La variación del tiempo de fragua guarda relación inversa con el Índice Hidráulico; de 16 a 30 días para un Cal débilmente hidráulica hasta 1 a 4 días para una Cal eminentemente hidráulica. 3.8.2. APAGADO DE LA CAL HIDRÁULICA. En la cal hidráulica, esta etapa del proceso de obtención debe ser muy cuidadoso. En particular se vigila que sólo se hidrate el CaO libre, y que el calor liberado en el procesode apagado no supere los 120°C. Temperaturas mayores a las indicadas permiten la hidratación de los silicatos y aluminatos afectando así las propiedades hidráulicas.

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3.9.NORMAS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Las normas ASTMN brindan los procedimientos para determinar la calidad y aptitud de la Cal de construcción. Dentro de estos estándares tenemos: Norma ASTM C 25. Detalla el procedimiento del análisis químico, para determinar los constituyentes de la piedra caliza, Cal viva y Cal apagada. Norma ASTM C 110.Precisa el procedimiento a seguir para determinar las propiedades físicas de la Cal viva y Cal apagada, entre las que se encuentran los procedimientos a seguir para determinar la consistencia y la plasticidad de una pasta de cal la durabilidad, estabilidad y retención de agua de la Cal apagada entre otras propiedades. Norma ASTM C 207.Detalla el procedimiento para determinar la aptitud de la cal apagada para ser empleada como componente de un mortero y de la albañilería. Norma ASTM C 141. Referida a la cal hidráulica, describe el procedimiento para determinar la aptitud de la cal como componente de un mortero y concreto de Cemento Portland. Detalla también el procedimiento para determinar la fineza, tiempo de fragua, durabilidad, resistencia a la comprensión, y los limites permitidos por esta norma para dichas propiedades.

4. PUZOLANA 4.0. GENERALIDADES. La puzolana es un material mineral no metálico que puede remplazar al cemento portland en forma parcial o total para la elaboración de morteros y concretos, con ciertas ventajas técnica y/o económicas, porque confiere a la mezcla propiedades especiales para su uso en construcciones que requieren vaceado masivo, o reduce significativamente los costos por su menor precio frente al cemento. No debe desestimarse tampoco el ahorro en su obtención con respecto al cemento Portland, en el Perú, las zonas de extracción de puzolanas se encuentran en Arequipa, Ayacucho, Lima (Atocongo) y Moquegua, principalmente. Sin embargo a pesar de su disponibilidad en los lugares indicados, su empleo es aún bastante limitado. 4.1.DEFINICION. Se puede definir la puzolana como un material predominante silíceo ó alúmino–silíceo, que por sí mismo no tiene propiedades cementantes, pero finamente medio y en

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presencia de humedad, reaccionará a temperaturas normales con hidróxidos alcalinos para formar un material estable con propiedades cementantes. 4.2.CLASIFICACION. Las puzolanas se clasifican como naturales y artificiales. 4.2.1. PUZOLANAS NATURALES. Se denominará así el material que en su estado natural posee propiedades puzolánicas. Pueden ser de origen volcánico, como las que se encuentran en algunos depósitos de lava y cenizas volcánicas, o pueden provenir depósitos de origen vegetal o animal. Las diatomitas, abundantes en Bayovar, Piura, pertenecen a este grupo y se les reconoce también como tierras de infusorios o Kieselguhr, que son principalmente materiales sedimentarios que se encuentran en lechos e fondos marinos o lagos. Por su naturaleza, las diatomitas tiene una alta porosidad, lo que demanda un contenido alto de agua para obtener una mezcla trabajable. 4.2.2. PUZOLANAS ARTIFICIALES. Dentro de esta clasificación están las puzolanas obtenidas de la calcinación de material silíceo o sílico aluminoso. La calcinación tiene por finalidad activar las propiedades puzolánicasde la sílice. En este grupo se consideran también las cenizas provenientes de la combustión del carbón principalmente, o más genéricamente, en las cenizas en las que se compruebe un predominante contenido de sílice. Subproductos agrícolas tales como la cáscara de arroz y paja de arroz, constituyen una interesante alternativa en el medio rural que ya se explota con éxito en países del continente asiático. La cáscara de arroz después de la combustión deja un residuo en ceniza de alrededor del 20%, que es comparativamente alto con respecto a otros subproductos. 4.3.COMPOSICION. La composición química no es un indicador absoluto de la actividad puzolánica. La composición permitida en las puzolanas naturales de origen volcánico se encuentra indicada en la tabla 3. Las puzolanas artificiales de cenizas se consideran adecuadas cuando la composición se ajusta a los limites indicaos en la tabla 4. Dicha tabla también precisa la composición típica de la cáscara y paja de arroz.

Tabla 3. Composición de las Puzolanas Naturales. CONSTITUYENTE

CONTENIDO

SiO2

45 – 70%

Al2O3 + Fe2O3

15 – 30%

CaO + MgO + Alkalis

15% Máx. 13

Pérdida por Calcinación

Hasta 12%

Tabla 4. Composición de las puzolanas artificiales. CONSTITUYENTE SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 SO3 MgO Cont. de álcalis Pérdida de calcinación

Contenido Permisible

ARROZ Cáscara Paja > 70 93.7% 2.5 á 5% ---< 5% 0.4% < 1.5% para agregados 2.4% potencialmente reactivos < 12% 2.8%

82.6% ---1.8% 10.2% 3.3%

4.4.PROPIEDADES DE CEMENTOS CAL-PUZOLANA. En forma simple la reacción cal-puzolana es como sigue: Los cementos cal – puzolánicos o cemento puzolánico se usan para construcción con resultados satisfactorios. La mezcla tradicional aplicada es de un volumen de cal apagada, dos volúmenes de puzolana sin moler y 3 a 4 volúmenes de agregados. La velocidad de endurecimiento de los concretos o morteros de cal-puzolana es lenta, pero puede incrementarse moliendo un 15 a 20% de puzolana a fineza de cemento. Alternativamente se adiciona de 100 a 150 Kg. de cemento portland por metro cúbico de mezcla. Igualmente el desarrollo de la resistencia se mejora en ambientes cuya temperatura es superior a los 20°C hecho a tener en cuenta en climas cálidos y tropicales pues las temperaturas favorecen un desarrollo comparativamente acelerado de las resistencias. El desarrollo de la resistencia es variable y depende de la relación Cal/Puzolana la que a su vez está en función de la naturaleza de la Puzolana. En general, se ha encontrado que para componentes finamente molidos la relación Cal-Puzolana 1:4 desarrolla la mayor resistencia a edades tempranas, pero a edades mayores, se recomienda un mayor de Cal. En morteros de Cal-Puzolana, la resistencia última se incrementa si se practica un curado húmedo, pero a edades tempranas sucede más bien lo contrario. Los Grafico 4 y 5 muestran los resultados obtenidos hasta una edad de 90 días de 2 morteros de Cal Puzolana, siendo la Puzolana proveniente de Atocongo (Lima) con especímenes curados en húmedo a temperatura de 18-20°C y en las proporciones de volumen (Puzolana:Cal:Arena). 4.5.TIEMPO DE FRAGUA. El tiempo de fragua de la mezcla Cal-Puzolana varía considerablemente dependiendo de la puzolana. El inicio de fragua ocurre entre 40 minutos y 2 horas. El más breve suele ocurrir en cenizas, en tanto que el más largo en residuos volcánicos. El tiempo final de fragua ocurre en no menos de 8 horas y, como referencia, puede tomar hasta 4 días.

14

4.6.ENSAYOS EN PUZOLANA Y CEMENTO PUZOLÁNICO. Los ensayos químicos no proporcionan criterios acertados para determinar la reactividad de la sílice. Se considera más confiable determinar la actividad de una puzolana en un mortero ó concreto mediante ensayos mecánicos. Diferentes normas, consideran el ensayo de resistencia a la comprensión para esta determinación. La norma ASTM C- 593 indica que la resistencia mínima a los 28 días debe ser de 4.1 MPa (41 Kg/cm2), para un curado de 7 días a 55°C, y de 23°C hasta la fecha del ensayo. 4.7. USO DE LA PUZOLANA EN CEMENTOS PORTLAND. Los cementos portland puzolánicos se desarrollan en Italia desde el año 1923, alrededor de las regiones volcánicas. En Francia, estos tipos están previstos en las normas AFNOR identificándose diversas formulaciones entre las cuales se puede indicar el CPA-400 que contiene 5 a 10% de puzolana activada, CPA-325 y 250 con 10 a 20% de puzolana activada. En España, se distinguen dos clases de puzolana, el puzolánico 250, designado por PUZ250 y el puzolánico 350 designado por PUZ-350, en los que el número indica la resistencia mínima a la comprensión en Kg/cm2, que debe de alcanzar a los 28 días el mortero que se especifica en los métodos de ensayo. En Italia, el anhelo de conseguir rápidos endurecimientos en los concretos en las construcciones modernas llevó a la introducción de cementos portland puzolánicos, los que usaron extensivamente en obras marina. El cemento portland usado como base es el tipo sulfato resistente, cuando la puzolana utilizada tiene un alto contenido de sílice activa. Los cementos portland puzolánicos han sido desarrollados para la construcción general en la proporción de 30 – 40% de puzolana, remplazan en la mezcla al cemento portland para la construcción de edificios en general, presas y concreto armado de obras marinas. Los morteros que contienes puzolana no exhiben la tendencia a la disminución de la resistencia a la tracción en edades posteriores, la cual es comúnmente observada en morteros a base de cemento portland de manera que la resistencia a la tracción de los morteros con puzolana curados en húmedo, con hasta 50% mayores que los correspondientes morteros a base de cemento portland. Bajo condiciones de sequedad, el empleo de puzolanas en morteros estándares afecta la resistencia a la comprensión relativamente menos que a la resistencia a la tracción, pero las mismas tendencias generales son evidentes. 4.8.EFECTOS DE LA PUZOLANA EN CEMENTOS PORTLAND. 4.8.1. RESISTENCIA A LA COMPRENSIÓN DE CONCRETOS. Las resistencias a tempranas edades de concretos que contienen puzolana son menores que las de los correspondientes concreto sin puzolana. Cuando mayor es el porcentaje de reemplazo menor es la resistencia inicial. Aparentemente la resistencia 15

inicial de cementos tipo I o tipo II, en los cuales se ha utilizado 20 a 30% de puzolana como materia de reemplazo, varía entre la resistencia inicial del concreto con cemento tipo I o tipo II y la resistencia inicial de concretos que contienen cemento de bajo calor de hidratación, tal como el tipo IV. En general las puzolanas contribuyen más a la resistencia de mezclas pobres que de mezclas ricas, y bajo determinadas condiciones de curado esta contribución puede ser de tal naturaleza que iguale, y en algunos casos sobrepase, a la que habría proporcionado el cemento que ha sido reemplazado. Pero ello no será cierto si los requisitos de agua para obtener una determinada consistencia en el concreto son substanciales mayores que los de un concreto que contenga cemento Portland sin reemplazos. Considerando sólo la resistencia a la comprensión del concreto, excepto para mezclas pobres no hay ninguna ventaja en el empleo de puzolanas en altos porcentajes de reemplazo. 4.8.2. ELASTICIDAD Y ESCURRIMIENTO PLÁSTICO. El modulo de elasticidad de concreto que contienen puzolanas como material de reemplazo es, en general, ligeramente más bajo (aunque no fundamentalmente diferente) que el del correspondiente concreto que sólo tienen cemento Portland. El flujo plástico o escurrimiento plástico del concreto, tanto en tensión como en comprensión, es mayor cuando se emplea puzolanas.

4.8.3. RESISTENCIA AL INTEMPERISMO. Los morteros y concretos que contienen cantidades de puzolana finamente dividida incorporan menos aire natural que concretos con sólo cemento Portland. Cuando se emplean aditivos incorporadores de aire, la resistencia al intemperismo de los concretos con puzolana que exhibían una pobre resistencia al intemperismo, se mejora, pudiendo llegar a ser incluso mayor que en los concretos con aire incorporado que sólo contienen cemento Portland sin reemplazo. 4.8.4. RESISTENCIA A AGUAS AGRESIVAS. Cuando las puzolanas son empleadas como reemplazos de cementos tipo I y tipo II, la resistencia a la acción de aguas sulfatadas (ricas en sulfato de sodio o sulfato de magnesio), se mejora. Este mejoramiento es mayor para cementos de alto contenido de aluminato tricálcico(A3S). Las puzolanas ricas en ópalos son mas efectivas en prevenir la desintegración del concreto por acción de sulfatos. Igualmente efectivas parecen sr las puzolanas ricas en cristales, como la piedra pómez y las cenizas. 16

4.8.5. CALOR DE HIDRATACIÓN. La reacción puzolánica contribuye al calor, de manera que la totalidad de calor liberada durante el proceso de hidratación es sustancialmente mayor que la que puede ser liberado por el cemento solamente. Para las puzolanas más activas, tales como las tierras de diatomeas y los exquisitos opalinos, el calor de hidratación de la mezcla cemento- puzolana, medido a los 28 días, es bastante mayor que el de las puzolanas vítreas menos activas, tales como la piedra pómez y las cenizas

5. CEMENTO El cemento es un componente decisivo en el desarrollo de una nación y esta afirmación se fundamenta por el hecho que aun sirve como referencia para determinar el índice de desarrollo de una nación en tanto que se asocia con la industria de la construcción lo que a su vez esta directamente relacionada con el uso de concreto, material cuyo aglomerante es el cemento. El consumo per cápita de cemento es también relacionado con la actividad económica de un país. Lo previamente indicado es un adecuado sustento para afirmar que el cemento se constituye como el aglomerante inorgánico de mayor importancia. La disponibilidad del cemento resulta tan importante como la disponibilidad de energía y agua en los programas de desarrollo. Una oferta continua de cemento capaz de atender creciente volúmenes de demanda es importante para asegurar infraestructura para el desarrollo. La naturaleza misma de las plantas de producción de cemento exige de grandes inversiones. Deben tener cerca la materia prima necesaria y en volúmenes que garanticen la operatividad de una planta por un periodo no menor de 30 años; a ello debe sumarse una adecuada oferta de energía. Estos factores contribuyen a explicar la centralización de las plantas de producción que a su vez requiere transporte y distribución del cemento producido. En el Perú se cuentan con un tota de 6 plantas de cemento – 2 de ellas en Lima- para un área de prácticamente 1’300 Km2. Bélgica un país cuya área es similar al departamento de Lima tiene 10 plantas. Este hecho si bien no refleja necesariamente un mayor consumo de cemento por parte de Bélgica, sí pone de manifiesto que los costos de transporte tienen un mayor efecto en el Perú e incrementan sustancialmente el costo de cemento, pudiendo llegar inclusive a casi 5 veces el costo de cemento en planta. De otra parte, por el manipuleo que se deriva, deben esperarse pérdidas y deterioro del material, lo que contribuye a encarecer aún más el cemento. Se estima que las reservas de materia prima son insuficientes para atender el déficit manifestado a nivel mundial. Como referencia, en parte del continente asiático (India, Bangladesh y Pakistán) el déficit anual es de 6 millones de toneladas. El déficit de materia prima se está contrarrestando con el uso de cementos puzolánicos sea con puzolanas naturales, cenizas o arcilla calcinada, y la investigación está fuertemente orientada a estudiar el comportamiento de otros materiales puzolánicos. 5.0. DEFINICIÓN.

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Se entiende por cemento a aquel aglomerante hidráulico compuesto por óxidos minerales de Sílice y Calcio que por tratamiento térmico han reaccionado entre si y posteriormente, con presencia de agua se desarrolla un proceso de hidratación que forma un esqueleto resistente constituido por microcristales de Silicato de Calcio hidratado. 5.0.1. CLASIFICACION. Los cementos pueden ser naturales y artificiales. a) Cemento Naturales. Los que provienen de calcinar entre 1,000º C y 1,200ºC a mezclas naturales de Oxidos de Calcio y Sílice. El mayor inconveniente de estos cementos es la variabilidad que presentan. b) Cementos Artificiales. Son los provenientes de dosificaciones precisas de los componentes y que conllevan propiedades particulares.

5.1. CEMENTO PORTLAND El cemento Portland es un cemento artificial que es el producto de la calcinación hasta el punto de fusión (clinker) y pulverización de una mezcla intima, rigurosa y homogénea de materiales arcillosos y calcáreos con eventual edición de no más de 3% de yeso. 5.1.1. COMPONENTES. I. Constituyentes Químicos. Componente Cao SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O – K2O SO3

% 63 22 6 2.5 2.6 0.6 2

Nombre Cal Sílice Alúmina Oxido de Fe Oxido de Mg Alkalis Trióxido de Sulfuro

Símbolo C S A F M K+N S

Materia Prima Roca Caliza Arcillas y Esquistos Contenida en la materia prima ya indicada. Puede añadirse pirita o bauxita. Impurezas contenidas en la materia prima

5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES HIDRÁULICOS DEL CEMENTO PORTLAND.

CONSTITUYENTES

Silicato Tricálcico (C3S). El referido componente se encuentra bajo la forma de Alita que es el nombre como se le reconoce al C3S son impurezas en suspensión. Desarrolla resistencias iniciales comparativamente elevadas así como alto calor de hidratación. Si en la fabricación durante el proceso de enfriamiento del clinker es lento, la Alita se disocia en C2S y CaO. La Alita resulta más reactiva que el C3S puro. II. Constituyentes Hidráulicos. FORMULA 18

FORMULA

CONTENIDO

INFLUENCI

NOMBRE

OBSERV.

CORTA 3CaO.SiO2 C3S

40-65

2CaO.SiO2

C2S

3CaO.Al2O3

C3A

10-35 Total ≈ 75 5-15

C4AF

5-20

Constituyente s Esenciales

Constituyente 4CaO.Al2O3. s Secundarios Fe2O3 Compuestos Ternarios de Na2O y K2O con C2S y C3A

Despreciable

A MINERAL Resist. Inicial Alita alta y largo plazo

Cristales poligonales

Cristales Resistencia Belita menos largo plazo. angulares. Alta Fase intersticial. Se localiza Resistencia entre los cristales de Alita y Inicial. No Belita. participa en la resistencia Aumenta la concentración de saturación en Cal durante la fragua acrecentando la solubilidad de la alúmina y acelera la hidratación.

Silicato Bicálcico (C2S). Es el compuesto que contribuye a aumentar la resistencia en el largo plazo y es el componente que libera el más bajo calor de hidratación. Se le identifica también como Belita cuando su composición tiene ciertas impurezas. Se reconoces hasta 4 formas de C2S que dependen de la temperatura y presencia de ciertos óxidos. El C2S conocido como β y que se obtiene con temperaturas inferiores a los 675ºC es el más frecuente en encontrar. El tipo menos deseado es el reconocido como tipo γ el cual se forma entre los 675 y 820ºC. este ultimo puede evitarse con la presencia en pequeñas cantidades de óxidos de Boro. Manganeso y Fósforo. Aluminato Tricálcico (C3A). El C3A es el compuesto que brinda una fragua rápida y es también responsable del mas alto color de hidratación. Ferroaluminato tetracálcico (C4AF). No participa en la resistencia y es de moderado calor de hidratación. Debe precisarse que la presencia de aluminatos en el cemento es fundamentalmente por el importante rol que cumplen en el proceso de fabricación. Ellos permiten la función u obtención de clinker a más baja temperatura que aquella que se necesitaría sin su presencia. Esta acción de bajar la temperatura de función se le reconoce como flux. 5.3. HIDRATACIÓN DEL CEMENTO. En contacto con el agua, el cemento reacciona hidratándose y las reacciones internas que se producen se manifiestan por dos fenómenos principales: 1. El fraguado, que consiste en la pérdida progresiva de la plasticidad de la pasta y; 2. El endurecimiento, que se inicia identifica como tal cuando la pasta pierde total plasticidad y viene a ser un proceso continuo. 19

La hidratación del cemento consiste esencialmente en la formación de silicatos de calcio hidratados que se agrupan a forman el gel de Tobermorita considerado como responsable de las propiedades esenciales de la pasta de cemento endurecida. La hidratación conlleva una serie de de reacciones químicas más o menos conocidas y muy variables que dependen de la naturaleza del cemento, condiciones de fragua y endurecimiento. 5.3.1. REACCIONES QUÍMICAS. La reacción esencial en una pasta de cemento recién fraguada, consiste en la formación de Silicatos de Calcio hidratados cuya fórmula puede resumirse como C3S2H3. Esta reacción va acompañada de reacciones secundarias. Los aluminatos entran rápidamente en solución saturando el medio de Cal. El pH sube a 12 y esta alcalinidad es favorable para iniciar la hidratación de los silicatos. Los aluminatos se hidratan muy rápidamente debiendo ser frenada con la presencia de CaSO4 que reacciona con la alúmina y la Cal formando el Sulfoaluminato de Calcio hidratado. Se forma así una suerte de membrana alrededor de los aluminatos que limitan la progresión de la hidratación de estos. La adición de Sulfato de Calcio se limita en razón de evitar un exceso capaz de reaccionar con el aluminato ya hidratado y la Cal eliminando así un sulfoaluminato de calcio hidratado que es expansivo. Simultáneamente, los silicatos de calcio se hidratan liberando cal hidratada. Esta liberación es característica en los clinker de cemento Portland y mayor en el C3S. La evolución de las reacciones de hidratación es simultánea y de intensidad variable de un constituyente hidráulico a otro. El sulfato de Calcio reacciona muy rápidamente pero es transformado a las pocas horas; El C3A reacciona también rápidamente y es completamente hidratado luego de 28 días y Los Silicatos continúan con su reacción mucho tiempo después de los 28 días. Sin embargo el C3S reacciona sensiblemente más rápido que el C2S. Durante el proceso de hidratación teóricamente, la cantidad de agua fijada químicamente por el cemento hidratado varía entre el 20 y 30% del peso de cemento. Algo relevante en el proceso es que el agua sufre una transformación morfológica que conduce a una reducción del 25% de su volumen. Los vacios generados son extremadamente pequeños y se encuentran uniformemente diseminados en toda la masa. 5.3.2. ESTRUCTURA FÍSICO QUÍMICA DE LA PASTA DE CEMENTO. Las reacciones químicas varían notablemente entre cemento y cemento y de una condición de hidratación a la otra. Se ha estimado que el conocimiento detallado del constituyente 20

principal de la pasta de cemento, el gel de Tobermorita, es importante a fin de esclarecer los principales fenómenos por la cual se exteroriza la hidratación: El inicio y creciente progresión de las resistencias mecánicas; El origen de la expansión y retracción conocido también como movimientos hidráulicos y; Explicar la influencia preponderante de la relación agua cemento (a/c). Se explica el inicio de la resistencia por efecto de las fuerzas de cohesión generadas por el incremento de la superficie específica que experimenta el gel. Estas fuerzas de cohesión son semejantes a las que ocurren con una arcilla, pero a diferencia de ésta, el gel es rígido. La creciente resistencia se explica presumiendo crecientes puntos de soldadura de las láminas de Tobermorita por un lado, y un incremento de la cohesión interna por efecto de un estrechamiento de los intersticios. Si como se ha dicho anteriormente, el contenido de agua para que las reacciones de hidratación tengan lugar es en promedio un 25% del peso de cemento, esa cantidad no incluye el agua que por absorción es sustraída del proceso. Experimentalmente se ha determinado que ésta en un 15%. Por lo tanto, la cantidad de agua requerida para la hidratación total del cemento es en promedio un 40%, o una relación a/c de 0.4 y en volumen de 1.2. 5.4. TIPOS DE CEMENTO PORTLAND. Se reconocen 5 tipos de cemento Portland en conformidad con la norma ASTM C-150. Los tipos reconocidos están en función del uso y ello es posible variando el contenido de los componentes hidraúlicos del cemento, manteniendo prácticamente constante el contenido total de silicatos y aluminatos. Los tipos reconocidos son Tipo I, II hasta V. eventualmente si tiene incorporadores de aire van seguidos por la letra “A”.

Tabla 5 Efecto de la relación agua-cemento en la pasta endurecida.

5.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS TIPOS DE CEMENTO PORTLAND. Tipo I. Es el más común. Se usa donde no se requiere características especiales. Tipo II. Es de uso común es recomendable para uso en medios de moderada presencia de sulfatos y donde se requiere un menor calor de hidratación. Ello significa un menor contenido de C3S y C3A. Tipo III. Se usa cuando se requieren altas resistencias iniciales. Se obtiene esta característica incrementando el contenido de C3S y C3A así como la finura. Cabe 21

añadir que es un cemento muy suceptible al ataque por sulfatos y no recomendado para zonas cálidas por los problemas que se puedan crear por el alto calor de hidratación que libera. Tipo IV. Se recomienda su uso cuando se va a emplear en obras de clima cálido y obras que requieren concreto en masa tal como el cao de presas. Por tal razón, los contenidos de C3S y C3A se reducen significativamente. Es menos fino, por lo tanto es de esperar que se presenten bajas resistencias iniciales. Tipo V. Recomendado en medios agresivos y donde se busca alta resistencia a sulfatos. El contenido de C3A es reducido al mínimo y tiene también una reducción en C3S. En el Perú es posible obtener además del tipo I, los tipos II y V.

5.5. ESPECIFICACIONES. Las especificaciones para el cemento Portland están establecidas en ASTM C-150 ya referida. Si bien incluye especificaciones químicas, puede decirse que predominantemente, el mayor acento está sobre las propiedades físicas del cemento. En las especificaciones incluidas en la norma referida, en lo concerniente a requerimientos químicos, se precisa para todos los tipos de cemento el contenido máximo de MgO y SO3 así como la pérdida en % por calcinación y residuos insolubles. El espíritu de esa indicación está dado por el hecho de que es posible satisfacer los requerimientos físicos con diferentes combinaciones de los principales óxidos. Especificar el contenido máximo de SO3 tiene como propósito garantizar la no formación de sulfoaluminatos de calcio expansivos durante el endurecimiento. De otra parte, un contenido de MGO superior a 5% originaría una expansión nociva capaz de originar hasta la dislocación de la masa de mortero o concreto. Otros óxidos nocivos cuando se emplea el cemento con agregados potencialmente reactivos con los alkalis. Los óxidos de Na y K suelen limitarse a un contenido no mayor del 0.6% y el contenido puede ser mayor y el cemento reconocido como válido dado que la norma da el límite indicado sólo si es requerido. En otras palabras, la norma los incluye como exigencias opcionales. Las especificaciones físicas para el cemento Portland indistintamente del tipo, fija el: Contenido de Aire (más % del Volumen) : 12 Fineza Blaine en cm2/g (min)2 : 2,800 Tiempo de Fragua Inicio (min) : 45 minutos Fin (máx) : 8 Horas. Resistencia a la comprensión (7 días en Kg/ cm2) : Tipo I II V. 193 172 152

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No incluye al tipo III.

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La fineza juega un papel importante por la influencia que esta ejerce sobre las propiedades físicas y mecánicas del mortero y concreto. La reacción del cemento con el agua está fuertemente influenciada por el tamaño de la partícula del cemento. Cuanto más pequeña la partícula de cemento la reacción es más rápida; sin embargo si esta es muy pequeña puede solo prehidratarse por la humedad presente del vapor de agua y esa prehidratación no tiene valor cementante. Lo contrario, cuando la partícula es muy grande toma un largo plazo de tiempo para hidratarse si las condiciones lo permiten. La fineza es determinada por 2 métodos siendo estos: El turbidímetro Wagner y; Permeabilidad o Blaine. El primero está descrito en la norma ASTM C115 y se fundamenta en la ley de Stocks. El segundo método es el más usado y se le reconoce vulgarmente como “Fineza Blaine”; el procedimiento de ensayo está descrito en la norma ASTM C-204 y es la relación que existe entre el área superficial de la particular sobre un lecho poroso y el flujo del fluido (aire) sobre el lecho. Tiempo de Fragua. Es una determinación efectuada en un pasta de cemento que permite conocer el tiempo durante el cual la pasta principia a perder plasticidad y el momento que esta principia a endurecer. El primer caso es identificado como inicio de fragua previamente, debe determinarse el contenido de agua afecta el tiempo de fragua previamente, debe determinarse el Agua de Consistencia Normal a fin de determinar el contenido de agua requerido para preparar la pasta y determinar el tiempo de fragua. El agua de Consistencia Normal es el contenido de agua por el cual la pasta adquiere cierta plasticidad. Esa plasticidad es determinada con el aparato de Vicat y se dice que se alcanza cuando el émbolo de 10 mm de radio y 300 gr de peso tiene una penetración de 10 + 1 mm en 30 segundos. El tiempo de fragua es también determinado con el aparato de Vicat con igual masa pero con una aguja de 1mm de radio. El llamado inicio de Fragua es el tiempo que queda determinado cuando la aguja penetra en la pasta 25mm y el Fin de fragua cuando la penetración no es mayor de 1 mm. El procedimiento de ensayo está determinado en la norma ASTM C-191. Otro método para determinar Inicio y fin de fragua es el de las Agujas Gilmore. Este es menos usado y no existe coincidencia con los tiempos observados en el aparato de Vicat. El aparato consta de 2 agujas de 2.12 mm (A) y 1.06mm. de diámetro (B) y 113.4 gr. Y 453.6 gr. De peso respectivamente. El inicio d fragua ocurre cuando la aguja de diámetro mayor y menor peso no penetra en la pasta y el fin de fragua de igual manera pero con la aguja de mayor peso. El procedimiento de ensayo queda escrito en la norma ASTM C-266. En general, el inicio y fin de fragua ocurre entre las 2hrs y 6hrs y está afectado por la temperatura y humedad del medio ambiente. Falso fraguado. Este es un fenómeno que eventualmente puede presentarse y se manifiesta por una pérdida de plasticidad de la pasta con baja liberación de calor. Este 23

fenómeno tiene una fuente principal que es la alta temperatura. Esta temperatura que puede deshidratar el yeso adicionado, puede ocurrir durante la molienda o el almacenamiento. De ocurrir el fenómeno, este puede superarse sin problema colateral alguno mezclando nuevamente la masa sin adición de agua. Resistencia. Los ensayos de resistencia se efectúan en morteros de dosificación, granulometría y tipo de arena especificada por estándares. Estos resultados deben entenderse como una forma de control de calidad del cemento ó también pueden emplearse para calificar la calidad de la arena si existiese alguna duda al respecto. Se entiende que en el último caso de estudio es comparativo. Los ensayos de resistencia más usuales son los de comprensión y flexión y con menor frecuencia el de tracción. Ensayo de compresión. Se realiza en especímenes cúbicos de 50.8 mm de lado y debe realizarse en estricto cumplimiento de los especificado por la norma ASTM C-109. La norma en mención indica la proporción en peso, tipo de arena, granulometría, precisa la energía de la mezcla y tiempo así como el almacenamiento hasta la edad de ensayo. Ensayo de flexión. Especificado en la norma ASTM C-340 se hace en prisma de 40 x 40 x 160 mm. Eventualmente las partes que quedan luego del ensayo pueden ser empleados para determinar la resistencia a la comprensión. Para que estos resultados sean comparables a los obtenidos con cubos de 50.8 mm de lado, el valor de la carga debe ser afectado por 0.62 y el lado mayor de 50.8 mm. Ensayo de Tracción. El ensayo de tracción directa se efectua en briquetas de 25.4 mm espesor y 25.4 mm de ancho en el cuello. Este ensayo que es solicitado menos frecuentemente por los problemas prácticos que supone, está descrito en la norma ASTM C-190. 5.6. CEMENTO PORTLAND MODIFICADOS Reciben esta denominación aquellos cementos que están predominantemente compuestos por silicato de calcio y se añade otro componente al clinker, o durante la cocción. Entre estos cementos, se tienen: Portland Puzolánicos. De albañilería; De escoria, entre otros. 5.6.1. CEMENTOS PORTLAND PUZOLÁNICOS. Este tipo de cemento puede ser producido o bien incorporado la puzolana durante la molienda mezclando hasta un 40% de puzolana en el cemento Portland. Las especificaciones para este tipo de cemento están escritas en la norma ASTM C-595. Esta norma especifica 2 tipos de cementos Portland de cementos puzolánicos. El Portland Puzolánico que contiene entre un 15 y 40% de puzolana y el Portland puzolánico modificado que tiene hasta 15% de puzolana. Se identifican el primero con

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una “P” y el segundo como “PM”. Cabe indicar que estas iniciales siguen al tipo de Portland, así para el tipo I sería P ó I-PM. Fuera de reducir el costo de un mortero o concreto y mejorar la plasticidad, la adición de puzolana reduce la suceptibilidad al ataque químico. El Ca(OH)2, producido por la hidratación del cemento es fácilmente atacado, por lo que, combinado con la puzolana éste es reemplazado por un compuesto más estable de hidratos de sílice o alúmina. Fuera de este hecho, tolerancia a un medio agresivo, otro igualmente importante es la reducción en la permeabilidad al igual que la reducción del efecto expansivo generado por la etringita (Sulfoaluminato de Calcio) cuando la concentración de Ca(OH)2 es reducida. El reemplazo de puzolana por cemento reduce el calor de hidratación del cemento, hecho que debe tenerse en cuenta como aspecto favorable en climas cálidos. Con cemento Portland, la reacción puzolánica es secundaria con respecto al efecto principal de hidratación por lo que el endurecimiento es más lento sin embargo, luego del año la resistencia en los cementos Portland puzolánicos puede ser mayor que en un Portland, hecho que parece depender de la relación agua-cemento. El Grafico 8 presenta las resistencias observadas en diferentes relaciones agua/cemento entre un cemento Portland y uno puzolánico (P) de igual relación agua /cemento. Grafico 8. Resistencias por edad y tipo de cemento para diferentes relaciones a/c.

Un aspecto a tener en cuenta en concretos con cemento puzolánico es que demanda periodos de curado más largos que aquellos requeridos por concretos preparados con cemento Portland. Algunos sugieren que el periodo de curado en agua debe extenderse hasta los 28 días. 5.6.2. CEMENTO DE ALBALIÑERÍA. Estos cementos son producidos mezclando el clinker del cemento Portland con Cal u otro material cementante y un incorporador de aire. La cantidad de Portland varía entre 40 y 75%. Dentro de los materiales cementantes fuera de la Cal pueden ser cenizas volantes, cemento natural, escoria de altos hornos, entre otros. Igualmente pueden ser mezclados con materiales pulverulentos como residuos de cal, puzolana y arcilla para que actúen como plastificantes. Estos cementos se manufacturan especialmente para mejorar la plasticidad, disminuir la contracción de fragua y retentividad del agua en morteros para albañilería sea de ladrillos de arcilla o bloquetas. La norma ASTM C-91 cubre las especificaciones para estos cementos y reconoce 2 tipos: El tipo de uso general y albañilería no portante y el tipo II para albañilería con mayores exigencias en la resistencia. 5.6.3. CEMENTOS DE ESCORIA DE ALTOS HORNOS. 25

Este cemento puede obtenerse aprovechando los residuos de la industria del acero. Como se Tabla 6. Composición Típica de un Portland y un observa en la tabla 6 los componentes esenciales cemento de Escorias. son cualitativamente iguales a los requeridos para el cemento Portland. La escoria aprovechable par Oxido Portland Escoria la fabricación del cemento es aquella obtenida por CaO 63 35 un proceso de enfriamiento rápido del residuo SiO2 22 35 6 15 fundido a fin de vitrificarlo y fragmentarlo en Al2O3 Fe O 2.5 1.5 2 3 partículas más pequeñas. Un enfriamiento lento 2.5 8 deriva en una cristalización que la hace menos MgO Na2O + K2O < 1.0 1.5 reactiva. La norma ASTM C-595 permite hasta un SO3 2.0 < 1.0 65% de adición de escoria. La variación en contenido de escoria conlleva diferente comportamiento en el cemento. En general el endurecimiento inicial es lento pudiendo afirmarse que al año la resistencia es casi igual al de un Portland. Cementos de este tipo con contenido alto de escoria son más resistentes al ataque de sulfatos debido a una menor presencia de hidróxido de calcio en el cemento hidratado. Ocasionalmente las bolsas de este tipo de cemento incluyen estas iniciales “BSF”, acrónimo de Blast Slag Furnace. 5.7. OTROS CEMENTOS. Se citaran únicamente los siguientes cementos: los cementos blancos, cementos aluminosos, cementos supersulfatados y cementos expansivos. 5.8. REFERENCIAS. HUBERTY, J.; Les Ciments; Fédération de Líndustrie Cimèntiere; Bruselas, 1974. JASTRZEBSKI, Zbigniew; The Nature and Propertier of Engineering Materials; Ed. John Wiley & Sons; New York 1977. MINDESS, S Y YOUNG, F; Concrete; Ed. Prentice Hall; USA 1981. ORUS A. Felix; Materiales de Construcción; Ed. Dossat, Madrid 1965. Portland Cement Association; Basic Concrete Construction Practices; Ed. John Wiley & Sons; New York 1968. SPENCE, R Y COOK D. ; Building Materials in Developing Countries; De. John Wiley & Sons; Inglaterra 1983. VENAUT, M y PAPADAKIS, M.; Contrôle et Essais des Ciments, Mortiers, Betons; De. Eyrolles; Paris 19961. WASTIELS Jan; Apuntes de Clase; Cementos; VUB; Bruselas 1985.

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