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Cemento Portland

INCI 4035 - Materiales de Ingeniería

Civil

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Hormigón de Cemento Portland

� El hormigón de cemento Portland es el material de construcción más utilizado en el mundo.

� Edificios, puentes, túneles, represas, fábricas, pavimentos y otros.

� El hormigón de cemento Portland consiste de cementoPortland, agregados, agua, vacios de aire y a vecesaditivos.

� El cemento Portland fue patentado por Joseph Aspdinen 1824.

� Es un pegamento instantáneo (mezclado con agua) queune agregados para hacer el hormigón de cementoPortland.

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Ingredientes del hormigón de

Cemento Portland

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Producción de Cemento Portland

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Producción de Cemento Portland

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Composición química del

cemento� Productos químicos en la materia prima:

� Caliza

� Sílica

� Alúmina

� Oxido de hierro

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

� Silicato tricalcio (C3S)

� Silicato dicalcio (C2S)

� Aluminato tricalcio (C3A)

� Alúminoferrito tetracalcio (C4AF)

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Finura y peso específico del cemento

Portland

� Mientras más fino el cemento más rápida la hidratacióny mayor calor de hidratación inicial

� Sin embargo, cemento muy fino es más costoso de producir y puede ser dañino para la calidad del cemento

� Algunos números:

� Máximo tamaño: 0.09 mm

� 85-95% son menores que 0.045 mm

� El diámetro promedio es 0.01 mm

� La gravedad específica (sin incluir vanos): 3.15

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Hidratación del cemento

Portland� Es la reación química entre las partículas de cemento y

el agua� Muchas reacciones químicas ocurren ya que el cemento

tiene muchos compuestos químicos� Los aluminatos se hidratan más rápido que los silicatos

� La reacción del aluminato tricalcio con el agua esinmediata y libera mucho calor

� El yeso se usa para retrasar la velocidad de esta reacciónproduciendo iones de sulfato.

� El balance entre el aluminato y sulfato determina la velocidad de fragüado.

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Hidratación del cemento Portland

(cont)� El cemento de fragüado normal tiene poca concentración

de aluminato y sulfato. Permanece manejable por ~45 min y empieza a solidificarse a las 2~4 horas

� Exceso de aluminato y sulfato la manejabilidad dura ~10 min y se solidifica a las 1~2 horas

� Alto aluminato con bajo sulfato produce un fragüado rápido(10~45 min) o un fragüado instantáneo (<10 min)

� Bajo aluminato y alto sulfato produce también un fragüado instantáneo

� El silicato tricalcio se hidrata más rápido que el silicatodicalcio, contribuyendo al tiempo de fragüado final y la ganancia de resistencia inicial.

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Vacíos en el hormigón de cemento

Portland

� La resistencia, durabilidad y estabilidad de volumen del hormigón estan fuertemente influidos por la cantidad de vacios.

� Los siguientes tipos de vacios pueden estar presentes en el hormigón:

� Espacio de hidratación entre capas de C-S-H: Es muypequeno y no afecta la resistencia del hormigón.

� Vacios capilares: Resultantes del agua que no fue parte de la hidratación del cemento y que luego se evaporó.

� Aire atrapado: Aire que penetra en la pasta de cementodurante la mezcla.

� Aire incorporado: Es un aditivo para mejorar la durabilidaddel hormigón en lugares donde hay hielo/deshielo.

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Propiedades del cemento

hidratado� Fraguado

� Se refiere al fenómeno en que la pasta de cemento se rigidizahasta que cambia de un estado plastico a sólido.

� Es diferente el fraguado al endurecimiento: En el endurecimiento la pasta adquiere resistencia, en el fraguadono.

� El fraguado se define mediante el fraguado inicial y el fraguadofinal.

� Las definiciones de fraguado inicial y final son arbitrarios y basados en el aparato de Vicat o las agujas de Gillmore.

� Si el cemento esta expuesto a humedad cuando estaalmacenado, puede ocurrir un falso fraguado, en el cual el cemento se rigidiza a los pocos minutos de empezar la mezcla.

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Aparato de Vicat

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Propiedades del cemento hidratado

(cont).

� Integridad:

� Es la capacidad de mantener su volumen despues del fraguado.

� Resistencia a la compresion del mortero.

� Mortero = cemento, agua, arena.

� Se usan cubos de 2 in. de lado (ASTM C109, C778, C150)

� La resistencia a la compresion del mortero es proporcional a la resistencia del hormigon.

� Sin embargo, la resistencia del hormigon no puede predecirsebasado en la resistencia del mortero.

� Esto porque la resistencia del hormigon depende de lascaracteristicas de los agregados, la mezcla del hormigon, y el procedimiento constructivo.

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Relación agua-cemento

� En 1918 Abrams encontró que la razón del peso del agua al del cemento (w/c ratio) influia

en todas las propiedades buenas del hormigón.

� Ley de Abrams: Para un hormigón totalmente

compactado hecho con agregados buenos y limpios, la resistencia y otras características

buenas se mejoran disminuyendo la cantidad de

agua por unidad de peso de cemento.

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Relación agua-cemento

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Relación agua-cemento (cont)

� Porque esto ocurre?

� La hidratación requiere apenas 0.22~0.25 kg de agua por kilo de cemento.

� Se debe usar mas agua para que la mezcla sea manejable.

� Esta agua en exceso al evaporarse crean vacios capilares.

� Los vacios capilares aumentan la porosidad y la permeabilidad del hormigón y reducen su resistencia.

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

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Tipos de cemento

Resistencia alta a los sulfatosV

Se utiliza en el hormigonado de

grandes volumenes

Bajo calor de hidratacionIV

Construcciones Fast-track, reduccion

del tiempo de curado en climas frios

Alta resistencia inicialIII,

IIIA

Resistencia moderada a los sulfatos

II, IIA

Cuando no se necesitan propiedades

especiales

NormalI, IA

AplicacionesNombreTipo

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Mas información?

Portland Cement Association:

http://www.cement.org

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Agua para la mezcla

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

� Impurezas:� Disminuyen resistencia, durabilidad, y tiempo de fragüado� Crean eflorescencia

� Producen manchas� Corroen el acero

� Crean inestabilidad de volumen

� Iones de cloruro (acelera la corrosión del acero)

� El criterio de aceptación está en la ASTM C94.� Luego de 7 días, los cubos de mortero hechos con el agua cuestionada

deben poseer una resistencia mayor al 90% de la resistencia de los cuboshechos con agua potable o destilada

� El tiempo de fraguado no debe ser una hora menos o 1-1/2 horas másque la pasta de cemento hecho con agua potable o destilada.

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Aditivos para el hormigón

� Son ingredientes adicionales (al agua, cemento y agregados) que se añaden al hormigón paraimpartirle una cualidad específica al estadoplástico (fresco) o al endurecido.

� Si el aditivo se añade en forma de solución, el líquido debe considerarse parte del agua de la mezcla.

� La forma de añadirse el aditivo estárecomendada por el fabricante.

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Aditivos para el hormigón (cont)� Los aditivos se clasifican en:

� Incorporadores de aire

� Reductores de agua

� Retardadores

� Controladores de hidratacion� Aceleradores

� Aditivos cementicios suplementarios

� Aditivos especiales

� Las razones para usar aditivos son (PCA)� Reducir el costo de construcción del hormigón

� Obtener ciertas propiedades en el hormigón más efectivamente quepor otros medios

� Asegurar la calidad del hormigón durante la mezcla, transporte, fundido y curado, en condiciones climáticas adversas

� Enfrentar ciertas emergencias durante las operaciones con el hormigón

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Incorporadores de aire� Producen pequeñas burbujas de aire en el hormigón

endurecido para proveer espacio para que el agua se expanda al congelarse.

� Los beneficios de incorporar aire son:

� Aumenta la durabilidad (en ciclos de hielo y deshielo)

� Aumenta la menejabilidad de la mezcla.

� Sin embargo, ellos reducen la resistencia del hormigón.

� Los principales incorporadores de aire son:

� Sales de resina de madera

� Detergentes sintéticos

� Sales de lignina sulfonada, etc.

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Antes de entrar el próximo aditivo,

recuerden!

� La manejabilidad depende principalmente de la

cantidad de agua.

� La resistencia depende principalmente de la

relación agua/cemento (w/c).

� El costo depende principalmente de la cantidadde cemento.

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Reductores de agua� Se usan para minimizar la cantidad de agua necesaria

para la manejabilidad de la mezcla.

� Ellos aumentan la mobilidad de las particulas de cemento en la mezcla.

� Teniendo en cuenta las tres variables que son afectadas[asentamiento, relación agua/cemento y costo], lo quese puede obtener con un reductor de agua son:� Añadiendo el reductor de agua aumenta el asentamiento(mejor manejabilidad)

� Añadiendo el reductor de agua, se puede usar menosagua y por lo tanto aumenta la resistencia

� Añadiendo el reductor de agua se puede disminuir la cantidad de cemento por lo tanto la mezcla eseconómica.

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Usos del reductores de agua

(WRA)

28 day strength > A

Workability = B

28 day strength = A

Workability = B

28 day strength = A

Workability > B

28 day strength = A

Workability > B

28 day strength = A

Workability = B

28 day strength > A

Workability = B

+ cement

+ cement+ water

+ WRA- water

- water- cement+ WRA

+ WRA

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Superplastificantes

� Se llaman tambien reductores de alto rango.

� Aumentan grandemente el flujo del hormigón fresco o reducen la cantidad de agua necesaria para obteneruna consistencia dada.

� Se puede lograr asentamientod de 8-10”. La reducción de agua varia entre el 12-40%.

� Gracias a los superplastificantes se ha podidoconseguir hormigones de alta resistencia.

� Con el superplastificante, el tiempo en que la mezclaes manejable disminuye drásticamente.

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Usos de superplastificantes

� Cuando se necesita una relación w/c baja.

� Cuando se funden secciones finas.

� Cuando se funde donde hay barras de refuerzoescasamente espaciadas.

� Cuando se funde hormigón bajo el agua.

� Cuando se funde utilizando bombas.

� Cuando consolidar el hormigón es dificíl

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¿Cual da más trabajo?

Vaciado de hormigon en losa(método tradicional)

Vaciado de hormigon en losa con

superplastificante

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Retardadores

� Usos:� Para anular el efecto de altas temperaturas.

� Para transportar el hormigón distancias considerables.

� Para dar más tiempo a un acabado especial.

� Los retardadores reducen la resistencia inicial del hormigón.

� Algunos retardadores incorporan aire y aumentan la manejabilidad.

� Otros retardadores reducen el tiempo entre el fraguado inicial y final.

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Aditivos controladores de

hidratacion

� Paran y/o reactivan el proceso de hidratacion.

� Tienen dos partes: un estabilizador y un

activador.

� Pueden parar la hidratacion por hasta 72 horas.

� Son utiles para extender el uso de hormigon

ready-mix (preparado en planta).

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Aceleradores

� Se usan para desarrollar la resistencia inicial del hormigón a una mayor velocidad.

� Pero la resistencia final no varia.

� Usos:� Reducir el tiempo antes que las operaciones de acabado

empiecen.

� Reducir el tiempo de curado.

� Aumentar la velocidad de ganancia de resistencia.

� Sellar pérdidas bajo presión hidráulica.

� El más utilizado es el cloruro de calcio (CaCl2).

� En algunas condiciones no conviene usar cloruro de calcio.

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Aceleradores (cont)

� No debe usarse cloruro de calcio cuando:� Hormigón es pretensado.

� Hormigón contiene aluminio.� Hormigón está sujeto a reacción alcalí-sílica.� Hormigón está en contacto con agua se suelos quecontienen sulfatos.

� Hormigón se funde bajo altas temperaturas.

� Applicaciones masivas de hormigón

� Alternativas al uso de cloruro de calcio:� Cemento tipo III� Aumentar el contenido de cemento.

� Curar el hormigón a altas temperaturas.� Usar otros aceleradores químicos.

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Aditivos Cementicios Suplementarios

� Son desperdicios de procesos industriales.

� Mejoran propiedades del hormigon y solucionanel problema de desperdicio.

� Pueden usarse en adicion, o como substitutoparcial del cemento.

� Los mas usados son:� Fly Ash (Ceniza volante)

� Escoria de alto horno.

� Silica fume (microsilica)

� Pozolanas naturales34

Fly Ash

� Es un subproducto del proceso de combustion

de carbon en plantas generadoras de electricidad.

� El fly ash es extraido de las camaras de

combustion y se enfria formandose esferas.

� La forma esferica aumenta la manejabilidad de la mezcla.

� Extiende el proceso de hidratacion,

consiguiendose mayor resistencia y menorporosidad.

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Fly Ash (cont)

� El menor calor de hidratacion reduce la ganancia

de resistencia inicial, pero permite una gananciamas alla de lo que el cemento comun puede

lograr.

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In this photograph, high-fly-ash concrete is

used without a secondary finish.

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Escoria de Alto Horno

� Subproducto de desperdicio del proceso de produccion del acero.

� Para hidratarse necesita agua y un activador(NaOH o CaOH), ambos suplidos por el cemento.

� La escoria molida de alto horno se ha usadocomo material cementicio desde los 1900s.

� Puede substituir entre 30% y 45% del cemento.

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Escoria de Alto Horno

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Silica Fume

� Subproducto del proceso de produccion de

metal de silicon o aleaciones de ferrosilicon.

� Es un producto puzzolanico muy reactivo.

� El hormigon hecho con SF tiene alta resistencia

y es muy durable.

� Puede reducir la corrosion causada por la sal.

� Es altamente resistente a la penetracion de ionesde cloruro.

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Silicon metal and alloys are produced in

electric furnaces as shown in this

photograph

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Puzolanas naturales

� Una puzolana es un material que en sí no posee

propiedades cementicias,

� Pero finamente partida y en presencia de agua,

reacciona con el hidróxido de calcio para formarcompuestos cementicios.

� Han sido usados desde hace 2000 años.

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Ceniza volcanica

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Una de las más antiguas

construcciones en ceniza volcanica

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Efectos de aditivos cementicios

suplementarios

Fly ash, puzolanas y escoria molida lo aumentan.

Tiempo de fraguado

Fly ash lo reduce. Silica fume no lo afecta, excepto con plastificante (lo aumenta)

Hidratacion

Fly ash, escoria molida aumentanmanejabilidad. Silica fume lo reduce

Manejabilidad

Fly ash y silica fume lo disminuyenContenido de aire

Fly ash lo reduce. Silica fume lo aumenta.Requerimiento de agua

EfectoPropiedad

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Aditivos especiales

� Agentes de manejabilidad� Inhibidores de corrosión� Agentes selladores

� Agentes reductores de permeabilidad� Aditivos fungicidas, germicidas, e insecticidas.

� Ayudas de bombeo.� Ayudas para adherencia.

� Ayudas para grouting.� Agentes colorantes.

� Reductores de encogimiento.