Ligantes. Cementos - Materiales de construccion - Apuntes, Apuntes de Materiales y Sistemas Constructivos

¡Descarga Ligantes. Cementos - Materiales de construccion - Apuntes y más Apuntes en PDF de Materiales y Sistemas Constructivos solo en Docsity! UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 1 Ligantes: Cementos. 1.- Introducción 1.1.- Conceptos generales 1.2.- Historia 2.- Composición del cemento 2.1.- Materias primas 2.2.- Clínker el Pórtland 2.3.- Yeso 2.4.- Adiciones y aditivos 3.- Fabricación de cemento 3.1.- Obtención materias primas. 3.2.- Obtención del crudo 3.3.- Obtención del clinker 3.4.- Obtención del cemento Cementos. Índice Bloque 3.3 4.- Propiedades 4.1.- Químicas 4.1.1.- Pérdida por calcinación 4.1.2.- Residuo insoluble 4.1.3.- Composición química 4.1.4.- Puzolanicidad 4.2.- Físico-mecánicas 4.2.1.- Hidratación 4.2.2.- Fraguado/endurecimiento 4.2.3.- Calor de hidratación 4.2.4.- Finura de molido 4.2.5.- Expansión 4.2.6.- Retracción 4.2.7.- Resistencias UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 2 5.- Clasificación de los cementos 5.1.- UNE 197-1: Comunes 5.2.- UNE 197-4: Escoria con bajas resistencias iniciales 5.3.- UNE 80303-1/2: Con características Adicionales 5.4.- UNE 14215: especiales de muy bajo calor de hidratación 5.5.- UNE 80307:2001: Usos especiales 5.6.- UNE 413-1: De albañilería 5.7.- UNE 80305: Blancos 5.8.- UNE 14647: Aluminato de calcio 6.- Aplicaciones de los cementos 6.1.- Comunes 6.2.- Otros 7.- Certificación de los cementos Cementos. Índice Bloque 3.3 UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 5 1.- Introducción 1.1.- Conceptos generales 1.2.- Historia 2.- Composición del cemento 2.1.- Materias primas 2.2.- Clínker el Pórtland 2.3.- Yeso 2.4.- Adiciones y aditivos 3.- Fabricación de cemento 3.1.- Obtención materias primas. 3.2.- Obtención del crudo 3.3.- Obtención del clinker 3.4.- Obtención del cemento Cementos. Índice Bloque 3.3 4.- Propiedades 4.1.- Químicas 4.1.1.- Pérdida por calcinación 4.1.2.- Residuo insoluble 4.1.3.- Composición química 4.1.4.- Puzolanicidad 4.2.- Físico-mecánicas 4.2.1.- Hidratación 4.2.2.- Fraguado/endurecimiento 4.2.3.- Calor de hidratación 4.2.4.- Finura de molido 4.2.5.- Expansión 4.2.6.- Retracción 4.2.7.- Resistencias UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 6 1- Introducción. Conceptos generales – Cabe definir los conglomerantes como los materiales capaces de adherirse a otros y dar cohesión al conjunto, por efectos de transformaciones químicas que se producen en su masa y que se originan un nuevo conjunto. – Se clasifican en dos grupos: • Conglomerantes aéreos: Son los que mezclados con agua fraguan y endurecen en el aire, no siendo resistentes al agua. • Conglomerantes hidráulicos: después de ser amasados con agua, fraguan y endurecen tanto al aire como sumergidos en agua, siendo los productos resultantes estables en ambos medios. AGLOMERANTES CONGLOMERANTES UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 7 – En la constitución del hormigón la unión de los áridos se logra por medio de cementos que generalmente son “Cemento Pórtland” – Estos pertenecen a la familia de los conglomerantes hidráulicos formados por materiales pulvurentos artificiales de naturaleza inorgánica que reaccionan con el agua dando lugar a un producto sólido, resistente y estable, tanto en el aire como en el agua. – De todos los conglomerantes hidráulicos, el cemento Pórtland y sus derivados son los más empleados en la construcción debido a estar formados, básicamente, por mezclas de caliza, arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, ser su precio relativamente bajo en comparación con otros cementos y tener unas propiedades muy adecuadas para las metas que deben alcanzar. – Los cementos se emplean, fundamentalmente, para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y áridos, naturales o artificiales, obteniéndose con ellos elementos constructivos prefabricados o construidos in situ. 1- Introducción. Conceptos generales UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 10 1- Introducción. Historia – 1756 John Smeaton, Ingeniero inglés de Yorkshire, redescubrió el cemento hidráulico a través de los ensayos con mortero en agua salada, al reconstruir el faro de Eddystone en la costa de Cornish. Smeaton dedujo que los morteros formados por la adición de una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran los que mejores resultados daban frente al agua marina y que la arcilla en las cales, no sólo no las perjudicaba, sino que las mejoraba. – Parker - 1812-1813 Louis Vicat, de Francia, preparó cal hidráulica artificial calcinando mezclas de caliza y arcilla, abriendo de esta forma un nuevo campo a los cementos al dosificarlas en proporciones justas. Posteriormente eran íntimamente mezcladas y trituradas antes de su cocción. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 11 1- Introducción. Historia – 1824 Joseph Aspdin, constructor de Leeds (Inglaterra), daba nombre al Pórtland y patentaba el material pulverulento que amasado con agua y con arena endurecía formando un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Pórtland. Probablemente, era una caliza hidráulica debido a las bajas temperaturas de cocción. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 12 1- Introducción. Historia – 1828 I.K.Brunel: primer ingeniero en aplicar el Pórtland para llenar una brecha en el Túnel del Támesis. – 1845 el cemento Pórtland, tal y como nosotros lo conocemos, fue producido este año por Isaac C. Jonhson al moler finamente los nódulos sobrecocidos que quedaban a la salida del horno utilizando el método de Aspdin. Con esta idea mejoró las dosificaciones y aumentó las temperaturas de cocción hasta lograr la sinterización de la mezcla. – 1859-1867 Se empleó cemento Pórtland en la construcción del sistema de desagües de Londres. – 1850-1880 Francois Coignet, constructor francés, responsable del uso amplio del hormigón en edificios. – 1887 Henri Le Chatelier, de Francia, estableció las relaciones entre óxidos para preparar la cantidad adecuada de cal para producir Pórtland. Denominó a los componentes. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 15 2- Composición del cemento. Materias primas – EL CEMENTO se define como conglomerante hidráulico, eso es, un material inorgánico, finamente molido (pulverizado: polvo muy fino, partículas angulares rango de tamaño de 1-50 µm), de color gris, que mezclado con agua forma una pasta que fragua y endurece mediante reacciones y procesos de hidratación (tanto al aire como bajo agua) y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo agua. Los cementos constan de gránulos individuales de diferentes materiales, de composición estadísticamente homogénea, y con un alto grado de uniformidad. – Las adiciones son materiales inorgánicos, puzolánicos o con hidraulicidad latente que pueden añadirse al cemento, mortero u hormigón, con la finalidad de mejorar algunas de las características físicas o químicas de los mismos o de conferirles algunas especiales. – Por último los aditivos son componentes no contemplados en la UNE-EN 197-1 como principales, minoritarios o reguladores de fraguado que se añaden para mejorar la fabricación o las propiedades del cemento. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 16 materias primas (caliza y arcilla) + correctores crudo + horno clínker + yeso + (adiciones y aditivos) cemento – Materia prima: mezcla de caliza y arcilla. • Calizos: pocas impurezas nocivas para el cemento (salvo MgCO3). • Arcillosos: muchas impurezas (magnesias, álcalis, sulfatos…) – En ocasiones a las materias primas principales se le añaden otros productos, correctores para ajustar la química del crudo, a fin de regular la Tª de sinterización de la mezcla y la cristalización de los minerales del clínker. CALIZOS Carbonato Cálcico Calizas Margas Conchas Marinas ARCILLOSOS Óxidos de Si, Al, Fe Arcillas Pizarras Esquistos Escoria de Alto horno C L I N Q U E R 2- Composición del cemento. Materias primas UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 17 materias primas (caliza y arcilla) + correctores crudo + horno clínker + yeso + (adiciones y aditivos) cemento – Crudo: la cal CaO (C), óxidos de silicio SiO2 (S), óxidos de aluminio Al2O3 (A). y óxido de hierro Fe2O3 (F). – clínker: el crudo en el horno se sinteriza (cocción a una Tº suficiente para crear un principio de fusión) y transforma en silicatos, aluminatos y ferrito aluminato de cal. • El clínker de Pórtland: proporciones determinadas de materias primas y correctores. – Yeso: material que se añade al clinker para regular el fraguado – Se entiende por cemento Pórtland la mezcla íntima de un clínker Pórtland con un regulador de fraguado (yeso dihidrato). – 1 tonelada de Pórtland = 1,5 toneladas de materia prima. La relación aprox. entre los materiales calizos y arcillosos en el crudo del clínker Pórtland es de 3 a 1 (es decir, 75% de caliza y el 25% de arcilla). 2- Composición del cemento. Materias primas UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 20 Alto Muy Alto Medio Muy Alto Medio (100 cal/gr) Muy Alto (207cal/gr) Bajo (60cal/gr) Alto (120cal/gr) Calor de Hidratación 28d Muy RápidoBlanco<0,64 CaO, Al2O3, Fe2O3N y K (álcalis) Buena Lento Inicial: baja Final: baja RápidoVerde-grisaceo5-20%4 CaO, Al2O3, Fe2O3C4AF (celita) Blanco<2CaOC (cal libre) LentoBlanco<5MgOM (magnesia) -- 0-15% 10-35% 35-70% Contenido Blanco Blanco Blanco Blanco color CaAl2O4 3 CaO, Al2O3 2 CaO, SiO2 3 CaO, SiO2 Composición BuenaInicial: altaFinal: mediaRápido CA (aluminato de calcio) Mala Muy rápido Inicial: alta Final: baja Muy RápidoC3A Muy Buena Lento Inicial: media Final: alta LentoC2S (belita) Buena Rápido Inicial: muy alta Final: alta RápidoC3S (alita) Estabilidad Química Desarrollo y Contribución Resistencia Velocidad Hidratación 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland Compuestos del Clínquer y sus características; Medida adulteración cemento<0,5R.I.Residuo insoluble (Impurezas yeso Medida carbonatación e hidratación de cal y magnesio libre por exposición atmosférica2P.F.Pérdida al fuego UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 21 C3S = Silicato Tricálcico. (alita gris claro angular) C3A = Aluminio Tricálcico. C2S = Silicato Bicálcico (belita oscuro redondeado). C4AF = Ferroaluminato Tetracálcico. 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 22 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland – El silicato tricálcico o alita: en el clínker está entre el 35 y el 70%. • componente principal. • Se hidrata rápido y confiere altas resistencias iniciales al cemento (en una semana desarrolla sus resistencias y después elevación de las mismas muy lenta). • Se comporta bien a los ataques químicos. • Inconveniente: alto calor de hidratación (120 cal/gr). – El silicato bicálcico o belita: en el clínker está entre el 10 y el 32%. • Pocas resistencias en los primeros días, pero luego las va desarrollando hasta alcanzar al silicato tricálcico. • Calor de hidratación muy inferior a alita (60 cal/gr). • Químicamente muy estable. • Durante el enfriamiento, sobre todo si no se realiza correctamente, se puede formar en una variedad alotrópica muy estable hidráulicamente inactiva (γC2S), mientras a la variedad metaestable se le denomina β UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 25 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland – Anhídrido sulfúrico. SO3 • Efectos del SO3 en cementos: expansión limitado al 4.5% • El azufre en el horno se transforma en SO2 que gaseoso reacciona con los álcalis volatilizados sulfatos alcalinos. Efectos: – Mejoran las resistencias iniciales del cemento. – Al formarse a partir de SO2 reducen emisiones de este gas. • Procedencia: – Azufre en forma de sulfuro en casi todas las materias primas. – También pueden encontrarse en los combustibles. – En cementos el contenido es más elevado que en clínker por yeso. – Alcalinos. K2O, Na2O: <0,6% . • Efectos: – durabilidad de morteros y hormigones con áridos reactivos. – Los alcalinos solubles son fuente de aparición de eflorescencias y – Los solubles aceleran el fraguado – además de provocar la corrosión de vidrios. • Procedencia: impurezas arcillosas UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 26 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland – La pérdida por calcinación o pérdida al fuego es la disminución relativa de peso del cemento al calentarlo a 1000ºC. En ese calentamiento se desprende principalmente agua y CO2. • El agua proviene de varios orígenes: – En primer lugar en las fábricas a veces se rocía el clínquer con agua para enfriarlo, lo que le produce una muy pequeña hidratación superficial. – En segundo lugar, la humedad del aire absorbida por el mismo clínquer. – En tercer lugar, el agua que lleva el yeso, ya que éste no pasa por el horno en la fábrica de cemento, y lleva agua de cristalización, y posiblemente humedad. • El CO2 proviene de absorción del aire. • La pérdida por calcinación puede servir además como índice del estado de un cemento del cual se dude por haber tenido un almacenamiento inadecuado UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 27 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland – El residuo insoluble se refiere a la parte que no se disuelve en ácido clorhídrico. Los componentes de la porción arcillosa del crudo son insolubles en HCI, pero pasan a ser solubles después de haber reaccionado en el horno. Por lo tanto, el residuo insoluble es un índice para saber si la clinquerización ha sido completa o no. – Junto a las resistencias mecánicas, son la estabilidad de volumen y la durabilidad las características más importantes a exigir a los cementos. • Los componentes principales no dan lugar a inestabilidad después de hidratados debido a que su volumen al reaccionar con el agua es inferior a la suma de los volúmenes de los constituyentes anhidros y del agua precisa para la hidratación de los mismos. • Por el contrario, la cal y la magnesia libres cristalizadas al hidratarse, sin disolución previa, dan lugar a productos pulvurentos con marcada expansión y con los consiguientes efectos indeseables sobre los morteros y hormigones. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 30 • Caracterización del clinker – Métodos de cálculo de Bogue: • Se forma C4AF consumiendo todo el óxido férrico o toda la alúmina: – Si A/F < 0,64 se forma C2F (ferrito bicálcico) – Si A/F>0,64 se forma C3A – Si A/F = 0,64, C3A =0 • La cal restante forma el máximo de C2S • La cal restante se combina con el C2S y forma C3S 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 31 – Para formar el crudo es necesario determinar la dosificación de materias primas. Conocer la composición de cada uno de los componentes y comprobar si sus MS y MF se encuentran dentro de los límites normales. Si no fuese aportar correctores de composición de la materia prima que compensen esas deficiencias. • Si existiese un exceso de cal no combinada en el clínker (CaO, cal libre) ésta daría lugar a expansiones. • El contenido de cal debe ser, pues, alto pero no excesivo. • Varía entre 88 y 97. – Módulo "Standard de Cal": • Empleado hoy día para el cálculo del contenido óptimo de cal. • Un contenido alto de cal en el crudo da propiedades más favorables, principalmente en lo que se refiere a resistencias del cemento. 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 32 • Clínker Pórtland (generalidades) – Forma parte de todos los tipos de cementos recogidos en la normativa española, excepto en el cemento de aluminato de calcio (CAC). – Su proporción varia entre el 100% en los cementos Pórtland, hasta un mínimo del 5% en los cementos con escorias de alto horno tipo C. – Se obtiene por cocción, hasta sinterización (fusión parcial), de mezcla de las materias primas (crudo). – Es un material hidráulico consistente, al menos en • dos tercios de su masa: silicatos tricálcico y bicálcico, • Resto: conteniendo otros óxidos (entre ellos aluminio y hierro) – Como condiciones a cumplir por el clínker se fijan tres: • Masa de silicatos tricálcico (C3S) y bicálcico (C2S) >= 2/3: – asegurar una suma que proporcione resistencias mecánicas suficientes, tanto a corto como a largo plazo, por formación de componentes tobermoríticos (silicatos cálcicos hidratados) 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 35 • Hidratado – La tobermoritas (C3S2H3): hidratación de silicatos • Responsables del desarrollo de fc y durabilidad – La Portlandita (CH): hidratación de silicatos • Muy poco resistente, es vulnerable a la presencia de aguas puras, sulfatos y otros agentes; pero fundamental en la protección de las armaduras frente a la corrosión debido al alto nivel alcalino que aporta al hormigón (aproximadamente un pH = 12,5). • Para un mismo peso de silicatos la cantidad de Portlandita producida es mayor en el caso de la hidratación del C3S que cuando se hidrata el C2S. – Ferroaluminato tetracálcico hidratado (C6AFH12): hidratación C4AF+CH – Ettringita (C3A3SCH32): hidratación de C3A con yeso • expansiva (aumento de volumen de dos veces y media) fisuras A veces se deben usar cementos con bajo contenido en C3A. 2- Composición del cemento. Clínker del Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 36 2- Composición del cemento. Aditivos + Adiciones – materias primas (caliza y arcilla) + correctores crudo + horno clínker + yeso + (adiciones y aditivos) cemento UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 37 • Adiciones – Filler Calizo L y LL: • Obtención: son materiales inorgánicos, naturales o artificiales que, con distribución de tamaño de partícula determinado. Pueden ser inertes o tener propiedades ligeramente hidráulicas latentes. Deben homogeneizarse, secarse y pulverizarse • Actuación: – Mejoran trabajabilidad o retención de agua. – Corrigen granulometría de áridos para hormigón en fracciones finas. – Puede ejercer un efecto físico: dispersión de las partículas de clínker. – Puede ejercer también una acción química: reacciona con el C3A, para formar carboaluminatos cálcicos hidratados. • Naturaleza: – Carbonato de calcio no será inferior al 75% en masa – Contenido máx. de arcilla de un 1´20 g/100 g. – A las (LL) se les exige un contenido en carbono orgánico total (TOC) menor de 0´20% y a las (L) menor de 0,50%. 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 41 – Puzolanas naturales (P) e industriales (Q) • Obtención: Hay dos clases: – Puzolanas naturales (P): materiales de origen volcánico (rocas álcali- traquíticas, tobas y la piedra pómez) o sedimentario (barro de diatomeas, tierra de infusorios, trípoli, tierra de Santorín, etc.). Moler antes de usar. – Puzolanas naturales calcinadas (Q): materiales de origen volcánico, o bien arcillas o rocas sedimentarias, activadas por tratamiento térmico. Además de molerse, se tienen que calcinar a temperaturas de 650 C a 980 C (dificulta y encarece el cemento, aleatoriedad) • Naturaleza: materias sólidas de naturaleza silícea, sílico- aluminosa o ambas: SiO2 + Al2O3 + Fe2O3. – SiO2 reactiva (>25% en masa) + Al2O3 + Fe2O3. 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 42 – Humo de sílice (D): • Obtención: subproducto pulvurento esferoidal obtenido en la reducción de cuarzo muy puro con carbón mineral en un HEA durante la manufactura del silicio o de aleaciones de ferrosilicio: • Naturaleza: sílice amorfa – Partículas inferiores a 1 micra (BET) > a 15 m2/g – Contenido al menos el 85% en masa de sílice (SiO2) amorfa. – PF –por calcinación- < 4% en masa. • Se limita a un máximo de 10% en los cementos Pórtland con humo de sílice (tipo II A-D y tipos IV-A y IV-B). 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos Fábrica de silicio en Sabón (D) UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 43 – Cenizas volantes (V y W): • Obtención: residuo sólido en estado de fina división procedente de la combustión de carbón pulverizado en las centrales térmicas generadoras de electricidad y que es arrastrado por los gases y recuperado por precipitación electroestática. • Naturaleza: SiO2+CaO+Al2O3+Fe2O3+CaO libre – Partículas de Ø entre 1-150 micras – PF< 5% en masa. – Silicoaluminosas (V): » CaO reactiva < al 10% / SiO2 reactivo >25% / CaO libre <1%. – Silicocalcáreas (W): » CaO reactiva entre 10% y 15% / SiO2 reactivo >25% » CaO reactiva > 15% resistencia a compresión 10 Mpa a días » Limitada la expansión 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos Central térmica en Ponferrada (V) UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 46 – Ventajas de orden ecológico de las adiciones • Menor necesidad de materias primas, implica una menor explotación y extensión de las canteras, así como una menor necesidad de abrir otras nuevas, con el correspondiente menor deterioro paisajístico y ambiental, y también con una más fácil y menos costosa restauración del terreno en zonas de canteras en explotación o agotadas y abandonadas, y de escombreras. • El aprovechamiento de escorias, cenizas, esquistos, etc., elimina o reduce su acumulación en escombreras o ahorra el gasto de su transporte y vertido en el mar o en otras partes. Esto evita la ocupación de terreno, con el inconveniente adicional del deterioro del paisaje a que las escombreras dan lugar. • En el orden técnico, el menor consumo de combustible en el horno da lugar a un volumen más reducido de gases de combustión y de emisiones de dióxido de carbono y de azufre, de óxidos de nitrógeno y, eventualmente, de monóxido de carbono a la atmósfera, con la consiguiente menor contaminación de ésta. 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 47 – Ventajas de añadir en fabricación y no en hormigonera • La granulometría del conjunto cemento más ceniza (más los finos del árido) es mas adecuada. • También hay que tener en cuenta el riesgo de heterogeneidad en los materiales mezclados en hormigonera de central o de obra, en relación con las mezclas hechas en fábricas de cemento. En efecto, el tiempo de mezcla de la ceniza y el cemento de un molino de fábrica es del orden de 10 a 30 veces mayor que el tiempo de mezcla de ambos en una hormigonera. • A esto hay que añadir el peligro de confundir la ceniza y el cemento en los silos o almacenamientos de obra, cosa que, por poco probable que pueda parecer, ha sucedido realmente en algunos casos bien localizados. 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 48 • Aditivos – Son sustancias o productos que, incorporados al cemento en una proporción no superior al 1% en masa, producen la modificación de su comportamiento para facilitar los procesos de fabricación o mejorar las propiedades y el comportamiento de los cementos. No corrosión y no pueden afectar desfavorablemente al resto de propiedades. 2- Composición del cemento. Adiciones y aditivos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 51 3- Fabricación del cemento. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 52 – Extracción: la materia prima se extrae de canteras o minas y según la dureza y ubicación del material, el sistema de explotación y equipos varía. Las materias primas fundamentales son las rocas calcáreas y las arcillas que se extraen de yacimientos a cielo abierto, los materiales correctores, en caso de ser necesarios (yeso y carbón). – Trituración: una vez extraída en la propia cantera es reducida a tamaños que puedan ser procesados • Trituración primaria: reducción a tamaños inferiores a los 10 cm. • Trituración secundaria: reducción a tamaños inferiores a 2,5 cm 3- Fabricación del cemento. Obtención materias primas UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 53 – La preparación del crudo puede efectuarse por vía seca o vía húmeda. La elección de una vía u otra vendrá condicionada por toda una serie de factores económicos, ecológicos e incluso nacionales o locales. Hoy la tendencia en Europa es hacia la vía seca, principalmente por el menor consumo energético 3- Fabricación del cemento. Obtención crudo UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 3- Fabricación del cemento. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 57 3- Fabricación del cemento. Obtención clinker – Cocción UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 58 – Hornos del clinker • Historia. • Ventajas / Inconvenientes • Características: – cilindro metálico revestido interiormente de material refractario. – La longitud puede sobrepasar los 150 m, con Ø de hasta 4.5 m – Está inclinado ligeramente (2 al 5%) – Gira a velocidad lenta (100 a 180 r p h, función de Ø e inclinación). – La carga suele cubrir únicamente el 10-12% de la sección interior. • Funcionamiento 3- Fabricación del cemento. Obtención clinker UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 61 – Solidificación: desde los 1500º C hasta los 1000º C. • En esta fase se forma por completo la estructura y composición definitiva del clínker, en la cual figuran C3S, C2S, C4AF, C3A, la fase vítrea y los componentes secundarios • El clínker sale del horno rotatorio en forma de granos pétreos, menudos, de color gris oscuro o gris verdoso. 3- Fabricación del cemento. Obtención del clinker • El proceso de cocción exige una atmósfera oxidante dentro del horno, ya que en caso contrario se obtiene un clínker de color pardo (en vez de gris verdoso) y el cemento resultante presenta un fraguado más rápido y resistencias más bajas. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 62 • Enfriamiento: La descarga del horno se produce en forma continua, experimentando un enfriamiento (de 1000 a 100º C) que debe ser rápido, utilizándose para ello sistemas enfriadores … 3- Fabricación del cemento. Obtención del clinker UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 63 – La molienda • El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso y "adiciones". – Llevan un estricto control de Tª a fin de no alcanzar los 70ºC (falso fraguado). • Se realiza en equipos mecánicos en las que la mezcla de materiales es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas. • Para ello se utilizan los siguientes equipos: – Prensa de rodillos / Molinos verticales de rodillos – Molinos de bolas / Molinos horizontales de rodillos 3- Fabricación del cemento. Obtención del cemento UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 66 3- Fabricación del cemento. Vía húmeda 21 Molino 22 Material Fino 23 Separador de Aire 24 Filtro 25 Silos de Almacén 26 Despacho 27 Despacho a Granel 28 Ensacado 29 Despacho en Sacos 30 Despacho en Barco 11 Balsas de Premezclado 12 Chimenea 13 Electro Filtro 14 Horno Rotatorio 15 Enfriador del Clínker 16 Quemador 17 Depósito Clínker y Yeso 18 Yeso 19 Dosificación 20 Material Grueso 1 Canteras 2 Trituración Primaria 3 Tamizado 4 Trituración Secundaria 5 Finos 6 Almacenamiento Material 7 Dosificación 8 Molino 9 Adición de Agua 10 Silos UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 67 3- Fabricación del cemento. Vía seca UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 70 3- Fabricación del cemento. Vía seca UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 76 4- Propiedades. Químicas. • Pérdida por calcinación – La pérdida por calcinación se determina calentando una muestra de cemento de peso conocido a 900 ºC a 1000ºC hasta que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la pérdida en peso de la muestra. Normalmente una pérdida por calcinación elevada indica prehidratación y carbonatación, que pueden ser causadas por un almacenamiento prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la descarga. – Corresponde a: • el agua de cristalización del yeso empleado como regulador + • posibles impurezas de naturaleza arcillosa que acompañen al yeso + • el propio clínker que finamente molido es sensible a la humedad y al anhídrido carbónico del aire que lo meteorizan ( la cal libre se hidrata y carbonata aumenta la estabilidad del cemento, pero si la meteorización es prolongada disminución de las resistencias) UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 77 4- Propiedades. Químicas. • Residuo insoluble – Residuo insoluble: Porcentaje de cemento, en peso, que tratado con ácido clorhídrico y carbonato de sodio queda sin disolverse en él. – Por Cocción defectuosa. Sustancias que acompañan al yeso. Adulteración en la composición del cemento. – Puede indicar adulteración del cemento con materias ricas en sílice. • Composición química – Sulfatos: dan lugar a cementos expansivos. – Cloruros: superado el límite corrosión • Puzolanicidad: – Cementos puzolánicos: capacidad para formación de silicatos (fc) UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 78 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland • Hidratación – El endurecimiento hidráulico del cemento, es debido a la hidratación de los silicatos cálcicos, si bien pueden participar otros compuestos químicos como los aluminatos. – Al mezclar el clínker de Pórtland con el agua, los silicatos y los aluminatos se hidratan formándose una masa rígida (Pórtland endurecido) formándose silicatos y aluminatos hidratados y reacciones de hidrólisis con formación de hidróxido cálcico. – Una vez que los compuestos principales se han hidratado son estables, de aquí la insolubilidad en agua del cemento endurecido. Solubles No solubles UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 81 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 82 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 83 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland – Hidratación de los silicatos • El C2S: reacciona lentamente, actúa sobre la fc final. 2C2S + 4H = gel(S2C3H3) + CH. 2(2CaO.SiO2) + 4H2O 2SiO2.3CaO.3H2O + Ca(OH)2 • El C3S: se encuentra en pequeñas cantidades. Reacciona rápidamente, actúa sobre la fc a primeras horas y a edad temprana del hormigón (hasta 28 días), 2C3S + 6H = gel(S2C3H3) + 3CH 2(3CaO.SiO2) + 6H2O 2SiO2.3CaO.3H2O + 3Ca(OH)2 (silicatos bicálcico y tricálcico) + (agua) (silicatos de calcio hidratados o gel de tobermorita, o gel de cemento) + Ca(OH)2 (hidróxido de calcio o Portlandita). Silicatos + agua tobermorita (bisilicato tricálcico trihidratado) + Portlandita Tobermorita (Silicatos de Calcio hidratados) Portlandita (Hidróxido de Calcio) UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 86 – Productos de la hidratación • La tobermoritas (C3S2H3): hidratación de silicatos – Responsables del desarrollo de fc y durabilidad • La Portlandita (CH): hidratación de silicatos – Muy poco resistente, es vulnerable a la presencia de aguas puras, sulfatos y otros agentes; pero fundamental en la protección de las armaduras frente a la corrosión debido al alto nivel alcalino que aporta al hormigón (aproximadamente un pH = 12,5). – Para un mismo peso de silicatos la cantidad de Portlandita producida es mayor en el caso de la hidratación del C3S que cuando se hidrata el C2S. • Ferroaluminato tetracálcico hidratado (C6AFH12): hidratación C4AF+CH • Ettringita (C3A3SCH32): hidratación de C3A con yeso – expansiva (aumento de volumen de dos veces y media) el hormigón se fisura haciendo que penetre el agua agresiva destrucción. En este caso se deben usar cementos con bajo contenido en C3A. 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 87 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland – Factores que influyen en la hidratación • Composición del cemento, presencia de adiciones • Tª de la pasta: favorece la hidratación pero perjudica las resistencias (formaciones fibrosas de mayor densidad pero menor longitud). • La relación a/cemento: – El agua favorece que la hidratación se continúe más tiempo. Si no hay agua suf. posible evaporación e interrumpción de la hidratación ( < resistencias) – Hace falta agua para hidratación cemento anhidro (0.23) y para que la difusión pueda tener lugar. Esto, realmente, ocurre cuando la relación a/c en la pasta es del orden de 0.35-0.40 en peso. • Finura de cemento: la hidratación nunca es completa. Se ha comprobado que después de mucho tiempo aún existen componentes sin hidratar (una partícula de un Ø entre 15 y 30 micras, a los 90 días se ha hidratado en una profundidad de 5 micras, partículas > de 50 micras no llegan a hidratarse por completo). UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 88 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 91 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland – agua UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 92 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 94 4- Propiedades. Hidratación del clínker de Pórtland UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 97 4- Propiedades. Fraguado y endurecimiento – Determinación del principio y final de fraguado • “La pasta de consistencia normal” – Se amasan 500g de cemento con agua estimada. – Se llena un molde troncocónico – Sobre la mezcla moldeada se coloca una sonda cilíndrica – A los 30s de haber amasado se deja que la sonda penetre durante 30s. » Agua de consistencia normal: penetración hasta 6 mm del fondo. • Tiempos de fraguado – Principio de fraguado: tiempo, medido con una precisión de 5min (mediciones cada 10 min), desde el que termina la adición de agua al cemento y la penetración de la aguja se quede entre 4±1 mm del fondo. – Se invierte el molde lleno usado sobre la placa base a fin de efectuar esta parte del ensayo sobre una cara nueva – Final de fraguado: tiempo, medido con una precisión de 15min (mediciones cada 30 min), desde el que termina la adición de agua al cemento y la penetración de la aguja (con accesorio anular para pocas penetraciones) penetra solamente 0,5 mm UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 98 4- Propiedades. Fraguado y endurecimiento UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 99 4- Propiedades. Fraguado y endurecimiento – Factores que influyen en el fraguado • Es frecuente confundir los términos fraguado y endurecimiento cuando en realidad son dos fenómenos distintos y hasta tal punto lo son que pueden existir cementos de fraguado lento y de endurecimiento rápido. • En la velocidad de fraguado y endurecimiento entran en juego: – Composición del cemento – Temperatura del agua de amasado. – Finura de molido del cemento. – Presencia o no de materias orgánicas e inorgánicas. – Presencia de aditivos. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 102 4- Propiedades. Finura de molido. • Finura de molido – Ligada al valor hidráulico: influye en la velocidad de las reacciones químicas durante su fraguado y primer endurecimiento. – Al entrar en contacto con el agua, los granos de cemento se hidratan sólo en una profundidad de 0,01 mm (núcleo prácticamente inerte). – Lo deseable es que un cemento alcance sus fc por la calidad del clínker más que por la finura. La nueva normativa no incluye en sus Pliegos prescripciones para la finura. – Ventajas e inconvenientes: las fc aumentan con la finura, situación de compromiso: el cemento debe estar finamente molido, pero no en exceso. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 103 4- Propiedades. Finura de molido. – Ventajas e inconvenientes de la finura de molido • Ventajas de la finura – Mejora de la reactividad: hidratación en superficie de partículas cuanto más finas mayor superficie por unidad de peso al agua mayor rapidez de hidratación y el desarrollo de resistencias. • Inconvenientes de la finura: – Mayor costo molienda. – Hay que aumentar la cantidad de yeso debido a la mayor cantidad de C3A disponible para hidratarse. – Mayor demanda de agua de amasado. – Calor de fraguado son muy altos (propensión a la fisuración y mayor exudación) retracción – El conglomerante resulta ser más susceptible a la meteorización (envejecimiento) tras un almacenamiento prolongado, – Disminuye su resistencia a la aguas agresivas. – Reacciones más enérgicas de sus álcalis con los áridos reactivos. UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Ligantes: Cementos 104 4- Propiedades. Finura de molido. – Determinación de la finura de molido • Para su determinación existen varios métodos de ensayo: – El más conocido es el de la superficie específica Blaine. Consiste en determinar la superficie de un gramo de cemento cuyas partículas estuviesen totalmente sueltas. » La superficie específica Blaine de los distintos cementos está comprendida, generalmente, entre 2500 y 4000 cm2/g (permeabilímetro de Baline). – Tamizado en seco y húmedo: » aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.