clse cemento

CEMENTO Ing. Xavier Laos

OBJETIVOS DE LA SESIN

Describe como se produce el cemento y sus componentes quimicos

Entienden los efectos de los diversos componentes quimicos en el cemento

Describe diversas caractersticas del cemento como vacios y ratio agua cemento

Cemento Prtland

NTP 334.009

Cemento Hidrulico

Clincker

Prtland

Proviene de la calcinacin de la

materia Prima, caliza s y arcillosas debidamente

dosificada.

Cemento Prtland

Puzolanico

Pulverizacin de Clinker Prtland + Puzonala+ Sulfato

de Calcio

Definiciones

INTRODUCCIN

El Concreto de Cemento Portland (PCC) es el material manufacturado que ms se usa en la construccin

Se usa en estructuras como: Edificios Puentes Tneles

Represas Fabricas Pavimentos

Componentes Agregados

Agua

Espacio de Vacios

Aditivos

Cemento Portland

CEMENTO PORTLAND

El cemento es un material inorgnico finamente pulverizado, que al agregarle agua, ya sea slo o mezclado con arena, grava u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecerse incluso bajo el agua

Esta capacidad se da en virtud de reacciones qumicas durante la hidratacin y que una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.

Mezcla

Con agua y arena forma mortero

Con arena y piedras pequeas forma una piedra artificial llamada concreto.

CEMENTO PORTLAND

Existen diversos tipos de cementos

El cemento Portland fue patentado por Joseph Aspdin en 1824 y debe su nombre a las laderas de caliza en la isla de Portland, Inglaterra

Los ingenieros de materiales que se encargan de la Seleccin, Especificacin y Control de Calidad en proyectos de ingeniera deberan entender:

La produccin

La composicin qumica

Las tasas de hidratacin y

Las propiedades fsicas del cemento portland

PRODUCCIN DEL CEMENTO PORTLAND

https://www.youtube.com/watch?v=lu14VCP27Kc


Son dos ingredientes bsicos: Un material calcreo

Ej. Oxido de calcio como la caliza, tiza o conchas de mar

Un material arcilloso

Ej. Una combinacin de silicio y aluminio que se puede obtener de arcillas, esquistos (mica, clorita, talco, grafito, etc.), cenizas

Estos materiales son 1) Triturados (Chancadora Primaria) y Almacenados en Silos

2) Las materias primas, dosificadas, son pasadas por un triturador

3) Trituradas, se mezclan y se guardan en silos de mezcla

4) Luego se pasa el material por el horno


El proceso continua En la actualidad las plantas de cemento usan el proceso seco

(antiguamente se usaba el proceso hmedo) El proceso seco tiene un rendimiento mucho mayor que el hmedo

por el uso y reuso del calor de su horno y los humos generados En el horno el calor alcanza los 1400C a 1650C (2500F a 3000F) y a

esta temperatura, el material crudo se convierte en clinker Este clinker es entonces enfriado y luego almacenado.

El clinker entonces Se tritura en un material muy fino Este material se mezcla con yeso en pocas proporciones que ayuda

a regular el tiempo de fraguado El producto final (cemento) se despacha ya sea en bolsas, sper

sacos o tractores El cemento, as, se puede almacenar por un periodo muy largo de

tiempo, siempre que se quede seco

COMPOSICIN QUMICA DEL CEMENTO PORTLAND Las materias primas como la lima, silica, almina y oxido de fierro

interactan en el horno formando unos compuestos qumicos muy complejos

Este proceso llamado Calcinacin hace que la estructura molecular se reestructure produciendo cuatro compuestos principales: Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8%

Las denominaciones son: C = Oxido de Calcio S = Dixido de Silicio A = Oxido de Aluminio F = Oxido de Hierro

COMPOSICIN QUMICA DEL CEMENTO PORTLAND Adems de estos componentes principales, tambin se encuentra

en la composicin qumica: Otros compuestos de hierro Compuesto de magnesio, titanio, manganeso, sodio y potasio Yeso para retardar el proceso de endurecimiento Aditivos para conseguir diversos objetivos

Los compuestos activos del cemento son inestables, y en presencia de agua reorganizan su estructura.

El endurecimiento inicial del cemento se produce por la hidratacin del silicato triclcico (C3S), el cual forma una slice (dixido de silicio) hidratada gelatinosa e hidrxido de calcio.

Estas sustancias se cristalizan, uniendo las partculas de arena o piedras siempre presentes en las mezclas de argamasa de cemento para crear una masa dura.

FINURA DEL CEMENTO PORTLAND

Es una propiedad muy importante del cemento que debe de ser controlada

La hidratacin empieza en la superficie de las partculas de cemento.

Mientras mas finas son las partculas de cemento, mas grande es el rea superficial y mas rpida es la hidratacin

Entonces, cemento con partculas mas finas desarrollan su resistencia mucho mas rpido y tiene un calor de hidratacin mas alto.

Pero si se sobrepasan los limites establecidos, los costos de produccin sern muy altos y puede que la calidad del concreto se afecte


El tamao mximo de partculas es 0.09 mm Entre el 85% y 95% de estas partculas son mas

pequeas que 0.045 mm con un promedio de dimetro igual a 0.01 mm

1 kg de cemento portland tiene aproximadamente 7 trillones de partculas con un rea superficial entre 300 m2 y 400 m2

En estas magnitudes, es mas fcil medir rea superficial

por unidad de peso que depende del tamao de las partculas que medir el numero de partculas en si. Por eso las especificaciones se dan en base al rea superficial por unidad de peso.


Mtodos para medir la finura del cemento portland

ASTM C204 prueba con el aparato de permeabilidad del aire de Blaine

ASTM C115 prueba con el aparato turbodimeter de Wagner

ASTM C430 porcentaje de material pasante la malla granulomtrica de 0.045 mm (No. 325)

HIDRATACIN DEL CEMENTO PORTLAND

La hidratacin es la reaccin qumica entre las partculas de cemento y el agua

Las caractersticas de esta reaccin son:

Cambio en la materia

Cambio en el nivel de energa

Tasa / ratio de reaccin

Las reacciones tpicas se pueden ver en la diapositiva siguiente, todas ellas ocurriendo al mismo tiempo


La hidratacin se puede dividir en dos mecanismos A travs de solucin Topoquimico

A travs de solucin (al inicio del proceso) Disolucin de compuestos anhdridos en sus

constituyentes Formacin de hidratos en solucin Precipitacin de los hidratos de la solucin

supersaturada

Topoquimico Una reaccin qumica en el estado solido Ocurre en la superficie de las partculas de cemento


De los compuestos en el cementos, son los aluminatos los que se hidratan mas rpido que los silicatos y emiten mucha energa

El yeso se usa para reducir la velocidad de reaccin de los aluminatos. Qumicamente esto se realiza por la emisin de iones de sulfato a la reaccin

El balance entre aluminatos y sulfatos determina la tasa de solidificacin. Una solidificacin normal requiere una concentracin

baja de aluminatos y sulfatos, y el cemento es manejable hasta por 45 min

A las 2 o 4 horas la pasta se empieza a solidificarse cuando los cristales reemplazan al agua en los poros


Con un exceso de aluminatos y sulfatos La etapa de maniobrabilidad se reduce de 45 min a 10 min.

La solidificacin puede ocurrir en 1 o 2 horas

Si hay muchos aluminatos y pocos sulfatos Se puede dar una solidificacin rpida (quick set, 10 a 45 min)

o una solidificacin instantnea (menos de 10 min)

Si hay pocos aluminatos y muchos sulfatos El yeso se puede recristalizar en los vacios dentro de 10 min,

produciendo una solidificacin instantnea (flash set)

Flash set esta asociada con grandes cantidades de calor y muy pobre resistencia al final.


Los silicatos de calcio se combinan con agua para formar C-S-H (calcio-silicato-hidrato)

Los cristales se empiezan a formar despus de unas horas que el agua y el cemento ha sido mezclados y estos pueden formarse continuamente mientras hayan partculas de cemento que no hayan reaccionado y agua.

C-S-H no es un compuesto muy bien definido.

El ratio de calcio a silicato es de 1.5 a 2.0 y el agua que forma parte del compuesto es mas variable aun.


De las ecuaciones de la Tabla de Ecuaciones C3S produce 61% C-S-H y 39% hidrxidos de calcio

C2S produce 82% C-S-H y 18% hidrxidos de calcio

C-S-H es lo que le da al concreto su resistencia

Por lo tanto para incrementar su dureza se debe de aumentar la cantidad relativa de C2S Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8%

Mas aun, los hidrxidos de calcio son susceptibles a los ataques por sulfatos y aguas acidas.

APORTE DE CADA COMPONENTE Silicato triclcico (3CaOSiO2) C3S 45-60% Es el mas importante de los componentes. Determina la velocidad de fraguado. Determina la resistencia inicial del cemento. Contribuye a la resistencia al interperismo. Contribuye a una buena estabilidad de volmen. Libera gran cantidad de calor de hidratacin, equivalente a 120cal/gr. Silicato diclcico (2CaOSiO2) C2S 15-30% Tambien se le conoce como belita. Forma parte del clinker entre 15 a 30%. Contribuye con las resistencias mayores a una semana. Se hidrata y endurece con lentitud. El calor de hidratacin es de 63 cal/gr Su contribucin a la estabilidad de volmen es regular. Contribuye a la resistencia del interperismo

APORTE DE CADA COMPONENTE

Aluminato triclcico (3CaOAl2O3) C3A 6-12% Constituye aproximadamente 5 a 10% del clinker. Es el primero en hidratarse o se fragua con mucha rapidez. Tiene mala estabilidad al volumen. Calor de hidratacin equivalente a 207 cal/gr. Escasa resistencia a la accin del ataque a los sulfatos y ataques qumicos. Aluminoferrito tetracalcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C4AF 6-8% Reduce la temperatura de formacin del clinker. Rpida velocidad de hidratacin. El calor de hidratacin es de 100 cal/gr (moderado). Influye en el color final del cemento.

APORTE DE CADA COMPONENTE

Sulfato de Calcio Yeso Reduce la temperatura de formacin del clincker. Rpida velocidad de hidratacin. El calor de hidratacin es equivalente a 100cal/gr (moderado). Influye en el color final de cemento. La estabilidad de volumen es mala. No esta definida su resistencia mecnica.


C3S se hidrata mas rpido que el C2S lo que contribuye a la solidificacin rpida final y a la ganancia inicial de resistencia de la pasta de cemento

El ratio de hidratacin se acelera con la presencia de iones de sulfato en la solucin

Entonces, un efecto secundario de aadir yeso al cemento es que se incrementa la tasa de desarrollo de C-S-H

VACIOS EN EL CEMENTO HIDRATADO

Los vacios se forman por la formacin aleatoria de cristales y los diferentes tipos de cristales que se forman

La resistencia, durabilidad y estabilidad volumtrica del concreto estn afectadas sobremanera por estos vacios

Cuatro tipos de vacios Espacio de hidratacin entre capas

Vacios capilares

Aire atrapado

Aire incluido


Espacio de hidratacin entre capas Esto ocurre entre capas de C-S-H

El espacio tiene un grosor de 0.5 nm y 2.5 nm, el cual es muy pequeo para afectar la resistencia

Sin embargo si afecta hasta en un 28% la porosidad de la pasta

Vacios capilares El tamao y cantidad de estos vacios dependen en la

separacin inicial de las partculas de cemento, el cual es controlado por el ratio agua cemento.

Vacios capilares mas grandes que 50 nm disminuye la resistencia e incrementa la permeabilidad


Aire entrampado

Esto se genera durante el mezclado

Estos vacios reducen la resistencia e incrementa la permeabilidad

Aire incluido

Sin embargo, microburbujas pueden incrementar la durabilidad de la pasta de cemento y por lo tanto hay aditivos que se usan para atrapar estas burbujas de aire

GRAVEDAD ESPECIFICA DEL CEMENTO PORTLAND

Conocer la Gravedad Especfica (S.G. Specific Gravity) es necesario para los clculos para la proporcionalidad de la mezcla

La S.G. del cemento portland sin vacios entre las partculas es aproximadamente 3.15 y se determina segn la prueba ASTM C188

La densidad del cemento en masa (incluyendo vacios entre las partculas) varia considerablemente dependiendo en como se maneje y almacene

GRAVEDAD ESPECIFICA DEL CEMENTO PORTLAND

Por ejemplo:

El transporte en camin de cemento aumenta la densidad total debido a la constante vibracin del camin y la eliminacin de vacios

Debido a esta variabilidad, el cemento se especifica en peso en vez de volumen

RATIO AGUA-CEMENTO

En 1918, Abrams encontr que el ratio del peso de agua al peso del cemento (ratio agua-cemento) influencia todas las caractersticas deseadas del concreto

Ley de Abrams Para concretos totalmente compactados hechos con

agregados limpios y apropiados, la resistencia y otras propiedades son mejoradas al reducir el peso de agua por peso unitario de cemento

Ya que ahora existen ms que cemento en el concreto, como la escoria, la puzolana, las cenizas, entre otras, se dice en vez de ratio agua-cemento el termino agua-materiales cementicios.

LEY DE ABRAMS

w/c can be determined from Abrams law:

where fc = compressive strength in psi (lb/in2)

1 lb/in2 = 0.070307 Kg/cm2

cwcf

/5.14

14000

RATIO AGUA-CEMENTO

La hidratacin requiere aproximadamente 0.22 kg a 0.25 kg de agua por 1 kg de cemento

No se cuenta el agua que haya sido absorbido por los agregados

Hay agua que es absorbida por las partculas de los agregados, los cuales lo saturan

Hay agua que queda en exceso, que no entra en las partculas y esta agua es la disponible para hidratacin.

RATIO AGUA-CEMENTO

Las mezclas de concreto generalmente requieren exceso de humedad, mas all del necesario para hidratacin, para mejorar la manejabilidad

Este exceso de agua genera vacios capilares en el concreto y esto incrementa la porosidad y permeabilidad del concreto que reduce la resistencia

RATIO AGUA-CEMENTO Ratio sube Resistencia Compresin baja Si el Ratio es bajo, esto tambin ayuda a la resistencia a la erosin, provee una buena unin entre las capas sucesivas del concreto y entre el concreto y el acero y limita el cambio de volumen debido a la humedecimiento y el secado Concreto con aire entrampado aumenta la resistencia a la congelacin / derretimiento

TIPOS DE CEMENTO PORTLAND

Diferentes aplicaciones del concreto requieren cementos de diferentes propiedades

Algunos ejemplos:

Se necesita aplicaciones con bajo calor de hidratacin para controlar el cambio de volumen y las grietas de fragua asociadas con este cambio

Hay concretos expuestos a sulfatos (SO4) que deterioran al PCC. Esto se arregla modificando las composiciones de los C3S, C2S, C3A y C4AF en base a las dosificaciones de las materias primas

Se varia el calor de hidratacin variando la finesa / finura del cemento producido en la ultima molienda

Se clasifica en 5 tipos estndar y otros tipos especiales

TIPOS STANDARD Clasificacin establecida segn el ASTM C150

Tipo I: Normal

Concreto para trabajo general cuando no se necesitan propiedades especiales. Bueno para pisos, estructuras reforzadas, pavimentos, etc.

Tipo II: Resistencia Moderada a los Sulfatos

Proteccin contra exposiciones moderadas de sulfatos

0.1 0.2% en peso de sulfatos diluidos en agua del suelo o 150-1500 ppm de sulfato en agua de mar.

Se puede indicar su uso con un moderado calor de hidratacin, lo cual lo hace apropiado para su uso en columnas grandes, bloques de tamao grande y paredes de retencin.

El calor de hidratacin moderado ayuda tambin cuando se coloca el material en climas clidos.

TIPOS STANDARD

Clasificacin establecida segn el ASTM C150

Tipo III: De Alta Resistencia Temprana

Se usa para construccin rpidas donde los encofrados tienen que ser removidos rpidamente o la estructura en si tiene que ser puesta en funcionamiento lo mas pronto posible.

En zonas fras, reduce el tiempo requerido de curado controlado

Tipo IV: Bajo Calor de Hidratacin

Usado cuando se construyen masas de gran tamao, como represas, que requieren que se controle el calor de hidratacin

TIPOS STANDARD

Clasificacin establecida segn el ASTM C150

Tipo V: De Alta Resistencia a los Sulfatos

Usado cuando el concreto esta expuesta a concentraciones severas de sulfato, ya sea 0.2 2.0% en peso de sulfatos diluidos en agua de suelos o 1500-10800 ppm de sulfato en aguas saladas (de mar)

Tambin hay clases como la IA, IIA y IIIA que son los tipos originales mas agentes de aire entrampado en el cemento que proveen una mayor resistencia al efecto congelamiento/derretimiento. Su uso ha disminuido debido al uso de aditivos en el concreto que tienen el mismo efecto.

La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento.

TIPOS STANDARD

La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento segn ASTM C150

Del mismo modo, ASTM C150 provee una tabla en donde especifica las cantidades de los 4 componentes bsicos del concreto y el requerimiento de finura para cada tipo.

https://www.youtube.com/watch?v=vCa_lj1TSAE https://www.youtube.com/watch?v=HDrqnzdf9Uc https://www.youtube.com/watch?v=-ixpHOFdBzY

https://www.youtube.com/watch?v=-ixpHOFdBzY

TIPOS STANDARD

La tabla de la siguiente diapositiva muestra las especificaciones tcnicas de los tipos de cemento segn ASTM C150

Del mismo modo, ASTM C150 provee una tabla en donde especifica las cantidades de los 4 componentes bsicos del concreto y el requerimiento de finura para cada tipo.

PROPIEDADES DEL CEMENTO

REQUISITOS

REQUISITOS OPCIONALES

COMPARATIVO TIPO I VS MS

FBRICAS EN EL PAS

Cementeras

En el Per hay 6 empresas productoras de cementos portland

Cementos Pacasmayo

Cementos Selva

Cementos Andino

Cementos Lima

Cementos Inka

Cementos Yura

Adems hay otras empresas menores y cementos importados (ej. Cemex, Mxico)

PRODUCCIN EN EL PAS

Consideraciones del lugar

Tener en cuenta el manejo del calor de hidratacin

En clima clido : Con bajo calor de hidratacin,

ordenando de acuerdo al calor de hidratacin,

de menor a mayor, tenemos:

V, IP, II, IPM, IMs, ICo, I

En clima fro : Utilizar con alto calor de

hidratacin , de menor a mayor tenemos:

I, II, IPM, IMs, ICo, V

Consideraciones de las condiciones

Ambiente marino: Expuesto al ataque de Cloruros + sulfatos, por lo tanto ordenando los cementos de acuerdo al grado de resistencia a estos iones de mayor a menor tenemos: IP, V, IPM, II, IMs, Ico, I

Suelo con sulfatos : Ordenando los cementos de acuerdo al grado de resistencia a los sulfatos de mayor a menor tenemos: V, IP, II, IPM, IMs, Ico, I

Consideraciones de Resistencia

En este caso el concepto que prima es de resistencia y calor de hidratacin de la estructura a construir:

Vaciados de gran volumen y poca rea

de disipacin de calor : En este caso es

importante tener en cuenta el calor de hidratacin

Del cemento, entonces ordenando los cementos de ms favorable a menos favorable tenemos:

V, IP, II, IPM, IMs, Ico, I


Desencofrado rpido : En este caso es

importante tener en cuenta la ganancia rpida de

la resistencia del concreto, entonces ordenando

Los cementos de ms favorable a menos favorable tenemos:

I, IPM, IMs, ICo, IP, V

FABRICAS

clse cemento

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