UNIVERSIDAD DE SANTO TOMÁS

CEMENTOS PORTLAND Y CEMENTOS ADICIONADOS

Rodrigo Salamanca Correa, I. C.Bogotá, junio de 2009

Contenido de la PresentaciónCementos y cementos Adicionados

Definición Cemento PórtlandFormación e Hidratación del Cemento PórtlandEfectos de la PortlanditaDefinición del Cemento AdicionadoRazones para el uso de los cementos adicionadosAdiciones MineralesClasificación de los cementos adicionados

Normativa Colombiana sobre los cementos (requisitos físicos, mecánicos y químicos)Características y EnsayosInterpretación integral de los resultadosComparación de características físicas de algunos cementos colombianos

Objetivo general del tema de la presentación

A partir del conocimiento y de la recordación del concepto de ‘cemento Portland’, se pretende:

Identificar una serie de características y falencias, que han dado origen al desarrollo tecnológico del uso de las adiciones en el cemento.Identificar las ventajas del uso de los cementos adicionadosDefinir la caracterización necesaria, para efectos de utilidad en el diseño de mezclas de concretoInterpretar correctamente los resultados de los ensayos físicos de cementos.

CEMENTO PORTLAND

El Cemento Pórtland es un ligante de propiedades hidráulicas, que se obtiene de la molienda conjunta, y muy fina, del clinker, con un bajo porcentaje de yeso (sulfato de calcio )   Clinker + Yeso Molienda Fina Cemento Pórtland

“Cemento Portland” es una designación general para cementos fabricados a partir de materias primas calcáreas y arcillosas, sinterizadas a una temperatura de 1450 ºC.  Material Calcáreo + Material Arcilloso 1450 ºC Clinker

COMPOSICIÓN DE UN CEMENTO POR OXIDOS

Oxido Notación Sandino

Calleja

Sánchez

Cal combinadas CaO 63.0 62.5 62.0

Sílice SiO2 22.0 21.0 21.0

Alúmina Al2O3 6.0 6.5 4.5

Oxido férrico Fe2O3 2.5 2.5 3.5

Trióxido de azufre

SO3 2.9 2.0. 2.0

Oxido Magnésico

MgO 2.5 2.0 1.0

Álcali Na2O+K2O

0.6 0.5 0.5

Pérdida al fuego PF - 2.0 3.0

Residuo insoluble

RI - 1.0 1.5

REPRESENTACIÓN ESQUEMATICA DE LA FORMACIÓN E HIDRATACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND

Elementos Componentes O2 Si Ca Al Fe 

Oxidos componentes CaO SiO2 Al2O3

Fe2O3Componentes del cemento

C3S C2S C3A C4AF 

 Cemento portland

Varios tipos de cementos portland  

Productos de hidratación

Gel Ca(OH)2

 

LOS PRODUCTOS DE LA HIDRATACION DEL C. P.

•El fraguado y el endurecimiento del cemento están basados en la reacción de los compuestos anhidros del cemento con el agua.

•Al contacto del cemento con el agua, los componentes individuales del cemento (C2S, C3S, C3A, C4AF), forman compuestos hidratados  Silicatos de Calcio + H2O = CSH gel + Ca (OH)2 

LOS PRODUCTOS DE LA HIDRATACION DEL C. P. (continuación)

Silicatos de Calcio + H2O = CSH gel + Ca (OH)2

 •Los silicatos hidratados son responsables del desarrollo de las resistencias, a corto y a largo plazo

•La portlandita aporta la condición básica (pH12.5) de la pasta de cemento; parte del hidróxido de calcio nunca se combina químicamente, y queda presente en la pasta endurecida.

REACCIONES DURANTE LA HIDRATACIÓN

Hidratación de partículas sueltas Generación de Ca (OH)2 (Portlandita)

+ Gel de cemento (CSH) C3A + agua + Portlandita + yeso

Etringita C3S + agua + Portlandita C2S + agua + Portlandita

EFECTOS NEGATIVOS DE LA PORTLANDITA, Ca(OH)2), NO COMBINADA

1. Puede ser “lavada” en razón de su alta solubilidad propiciando la aparición de vacíos, poros, etc..

2. En ambientes contaminados, puede reaccionar con el dióxido de carbono (CO2) formando carbonato de calcio (CaCO3);- Consecuencias:

               Baja PH del concreto               Se elimina pasivación de armaduras              Propicia corrosión           Este fenómeno se llama CARBONATACION

REACCIONES DURANTE LA HIDRATACIÓN

La cantidad de yeso en el cemento debe ser la suficiente para hacer reaccionar todo el C3A, Formando la Etringita (Tri - sulfoaluminato de calcio).

Si, agotado el yeso sobra alguna cantidad de C3A, se forma el Mono- sulfoaluminato de calcio cuya reacción con sulfatos prevenientes del exterior, una vez endurecida la mezcla, es expansiva y por consiguiente destructiva del concreto.

SURGEN LOS CEMENTOS ADICIONADOS

Los cementos adicionados (o compuestos), son mezclas de clinker de cemento Pórtland, sulfato de calcio (yeso) y adiciones minerales; pueden ser producidos por molienda conjunta de esos componentes ó por la mezcla de los componentes finamente molidos. CEMENTO ADICIONADO = Molienda fina [ Clinker + yeso + adición ]

EQUIVALENCIA Y PRECISIÓN DE TÉRMINOS

ADITIVOS (ADMIXTURE, en inglés), son productos químicos que se agregan a las mezclas de concreto, con el fin de mejorar alguna de sus características, siempre en proporciones menores al 5% del peso del cemento.

ADICIONES (ADITIVES, en inglés), son compuestos minerales finamente molidos, naturales o artificiales, que se agregan muchas veces al cemento, durante su fabricación en planta, ó a las mezclas de concreto, pero en proporciones mayores que los aditivos (es usual entre un 10 y un 40% o más). Es el caso de las puzolanas, las escorias, las cenizas, etc.

ADICIONES MINERALES MAS USADAS

- Adiciones hidráulicas: poseen potencial hidráulico natural, pero requieren de un activador (cal, yeso, clinker u

otro) para poder endurecer bajo agua; p.e. La escoria. - Adiciones puzolánicas: reaccionan con el hidróxido de calcio (Ca(OH)2), liberado en el transcurso de la hidratación del clinker, en condiciones de humedad y a temperatura ambiente; p.e. puzolana natural, ceniza volante (fly ash). - Adiciones inertes: no poseen actividad hidráulica ni puzolánica; contribuyen al desarrollo de otras propiedades del cemento; p.e. llenante calizo 

CLASIFICACIÓN DE LAS ADICIONES (según Kumar Mehta ACI SP-79)

Tipo Clasificación Composición química y mineralógica

I Cementantes Cristales de silicatos con Ca, Mg y Al

II Cementantes y puzolánicas (ceniza volante con CaO>10%

Cristales de silicatos con Ca, Mg y Al. Puede haber cal librey periclasa. Carbón sin quemar < al 2%

III a. Humo de Síliceb. Ceniza de cascarilla

de arroz (RHA), quema controlada

Sílice en forma no cristalinaSílice en forma no cristalina

IV Puzolanas normales (ceniza volante con CaO<10%)

Cristales de silicatos con Fe y Al. Carbón sin quemar ~6.5; a veces 10%

V a. Escoria de alto horno enfriada lentamente

b. RHA quemada sin control

Minerales de silicato cristalino y pequeñas cantidades de material cristalino (amorfo).

RAZONES PARA EL USO DE LOS CEMENTOS ADICIONADOS

Ventajas técnicas asociadas al uso de las adiciones:

 - Menor calor de hidratación: el cemento tendrá menos C3S y C3A, que son los mayores generadores de calor; son cementos ideales para concretos masivos.

-  Mayor reserva de resistencias: con relación a un Pórtland desarrolla mayores resistencias después de los 28 días (mediante un curado adecuado; ello compensa lentitud de reacción inicial.

RAZONES PARA EL USO DE LOS CEMENTOS ADICIONADOS (Continuación)

-  Mayor durabilidad: debida a la formación de una matriz de cemento más densa, que evita además el desarrollo de la carbonatación.

-  Menor permeabilidad: en razón de la mayor densidad conseguida por partículas muy finas de la adición; ingresan menos agentes agresores; menor porosidad y vacíos.

RAZONES PARA EL USO DE LOS CEMENTOS ADICIONADOS (continuación)

- Alta resistencia a los sulfatos y al agua de mar (sales): en razón de la menor presencia de C3A (la cual da origen a la etringita, sustancia susceptible de ser atacada por los sulfatos).

-  Menor propensión a la reacción alkali-agregado: en razón de la menor presencia de clinker portland del cemento

RAZONES PARA EL USO DE LOS CEMENTOS ADICIONADOS (continuación)

-  Mejora de la manejabilidad de las mezclas: debido a la mayor presencia de partículas finas (especialmente válido para cementos con cenizas)

-  Reducción de la debilidad causada por la presencia de cal libre y óxido de magnesio: por el proceso de fijación de la cal se evita su lavado, y se aumenta el efecto cementante

OTRAS RAZONES PARA USO DE LAS ADICIONES

Razones de orden económico:

Un menor uso de clinker, implica menores costos de producción del cementoUna molienda más fácil del cemento por su contenido significante de adiciones, implica menor costo de producciónMenor gasto energético para producción del cemento

 

OTRAS RAZONES PARA USO DE LAS ADICIONES

Razones de orden ambiental:

Pueden utilizarse grandes cantidades de sub-productos o desechos de otras industrias (cenizas de termoeléctricas, escorias de acerías, etc..), los cuales ocupan altísimos volúmenes y se convierten en problemas ambientales al no tener otras destinaciones.Ahorro energético en la producción del cemento

  NORMATIVA COLOMBIANA SOBRE CEMENTOS

Cemento portland. Clasificación y nomenclatura NTC 30

Cemento portland. Definiciones generales NTC 31

Especificaciones físicas del cemento portland NTC 121

Especificaciones químicas del cemento portland NTC 321

Método para determinar la finura del cemento portland por medio del aparato Blaine de permeabilidad del aire

NTC 33

Método para determinar el tiempo de fraguado del cemento hidráulico mediante el aparato de Vicat

NTC 118

Método de ensayo para determinar el fraguado rápido del cemento Portland. (Método de la pasta)

NTC 297

Método de ensayo para determinar la densidad del cemento hidráulico

NTC 221

Método para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico

NTC 110

Mezcla mecánica de pastas de cemento hidráulico y morteros de consistencia plástica

NTC 112

Método para determinar la resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50mm lado

NTC 220

Método para determinar la fluidez de morteros de cemento hidráulico.

NTC 111

Clasificación de cementos - NTC 30Tipo de cemento

Caracterís-tica

Límites aproximados de la Composición Química (%)

Resistencia Relativa, %

C3S C2S C3A C4AF 1 / 28 días

1 Uso General 40 / 55 25 / 30

3 / 15 5 /10 100 / 100

2 Resistencia moderada a los sulfatos y Bajo calor

de hidratación

40 / 50 25 / 35

8 10 / 15 75 / 90

3 Altas Resistencias iniciales

50 / 63 15 /20 3 / 15 8 / 12 190 / 100

4 Muy Bajo calor de

hidratación

25 / 35 40 /50 7 10 / 15 55 / 75

5 Alta Resist. los sulfatos

32 / 42 38 /48 5 10 65 / 85

Para que es usual cada tipo de cemento – NTC 30

Tipo I : Para obras en concreto en general, donde las propiedades especiales de los otros tipos de cemento no son requeridos

Tipo II: Estructuras de drenaje donde las concentraciones de sulfatos en aguas subterráneas son un poco mas altas de lo normal. También se puede usar en estructuras de masa considerable, como en muros de contención.

Tipo III: En estructuras donde se requiere quitar las formaletas tan pronto como sea posible o cuando la estructura debe ponerse al servicio rápidamente.

Tipo IV: Para las estructuras de concreto masivo, como grandes presas, donde el aumento de temperatura es un factor crítico resultado de un alto calor generado durante el endurecimiento.

Tipo V: Par estructuras en suelo o en contacto con aguas subterráneas con un alto contenido de sulfato.

CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS ADICIONADOS( SEGÚN NORMAS ASTM)

Cementos tipo I-P: cementos portland-puzolánicos; con contenido de puzolanas entre el 15 y40%.

 Cementos tipo P: cementos puzolánicos (sin la

denominación portland), cuando el contenido de las puzolanas es mayor al 40%

 Cemento tipo I-S: cementos portland-siderúrgicos, cuando

el contenido de la escoria es entre el 25 y el 60% Cemento tipo S: cementos siderúrgicos (sin la

denominación portland), cuyos contenidos de escorias son mayores del 60% y además contienen cal.

 Cementos supersulfatados: son cementos que contienen

más del 75% de adición, compuesta por escorias y yeso.

REDEFINICION GENERAL DE LOS CEMENTOS

De acuerdo con el propósito de uso, lo cual implica la composición final y la combinación de los componentes, puede resumirse que los cementos, hoy día, están constituidos por:

Constituyentes principales:          Clinker/ regulador de fraguado (yeso)

 Constituyentes secundarios:

          Adiciones: hidráulicas/ puzolánicas/ inertes 

Aditivos químicos: Ayudantes de molienda/ mejoradores de calidad

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CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LOS CEMENTOS

Rodrigo Salamanca Correa, I. C.Bogotá, junio de 2009

Se requiere de un buen Laboratorio:

DENSIDAD (PESO ESPECIFICO)

Relación de masa volumen (propiedad del material)

Es aproximadamente de 3.15 g/cm3 para el cemento Pórtland (sólo clinker + yeso)

Su valor es menor cuando se combina con adiciones. Puede variar entre 2,80 y 3,15 g/cm3, dependiendo de la clase y del porcentaje de la adición.

Podrá esperarse distinto comportamiento de cada cemento, de acuerdo con la presencia o no de las adiciones (puzolánicas, hidráulicas o inertes)

FINURA DE UN CEMENTOPERMEABILIDAD AL AIRE- APARATO DE

BLAINE

Conduce a evaluar una superficie específica (cm2/g)

Indica el área superficial de todas las partículas contenidas en una masa de 1g de cemento

A mayor superficie específica mayor área superficial, y en consecuencias hay mayor número de partículas, es decir mayor finura o granos más pequeños.

FINURA DE UN CEMENTOPERMEABILIDAD AL AIRE- APARATO DE

BLAINE

Se ha estandarizado la S.E. Normal>2,800 cm2/g

Puede llegar a ser de 4,500 o 5,000 cm2/g, según la facilidad con la cual se llegue a moler el material (Clinker + adición)

Tratándose de cementos adicionados una mayor S.E. No implica necesariamente mayor reactividad

La finura Blaine no aporta información sobre la distribución de tamaños de partículas

FINURA DE UN CEMENTORETENIDOS EN TAMICES

Es una información complementaria del resultado de la superficie específica

Los retenidos ayudan a tener mejor conocimiento de la distribución de tamaños de grano

Una partícula de cemento es más eficiente en cuanto su tamaño sea más pequeño

FINURA DE UN CEMENTORETENIDOS EN TAMICES

El proceso de hidratación es muy lento, desde la superficie hacia el interior de la partícula, del orden de 3,5 micras cada 28 días

El retenido puede hacerse: - Sobre tamiz de 0,150mm (No. 100) - Sobre tamiz de 0,075mm (No. 200)- NTC

226 - Sobre tamiz 0,044 mm (No. 325)- NTC 294

Hay métodos por vía húmeda o por vía seca.

TIEMPOS DE FRAGUADO DE UN CEMENTO

El fraguado debe dar tiempo suficiente para las operaciones de mezclado, transporte, colocación, vibrado, alisado el concreto fresco.

El clinker sólo, fraguaría muy rápido, casi de inmediato

La función del yeso adicionado es la de regular y retardar la reacción del clinker, dándole funcionalidad al producto.

FRAGUADO RAPIDO DEL CEMENTO PORTLAND

Es el desarrollo rápido de rigidez en una pasta, mortero ú hormigón recién preparado; puede ser:

Falso fraguado: si no hay generación de calor, y la rigidez se elimina, retornando la plasticidad, con una re-mezcla sin adición de agua. No es fenómeno deletéreo o dañino.

Fraguado instantáneo: si hay pérdida inmediata de la plasticidad, con un considerable desprendimiento de calor. No se recupera la plasticidad.

FRAGUADO RAPIDO DEL CEMENTO PORTLAND

El fraguado rápido ocasiona problemas de colocación y manipulación, y el incumplimiento de la especificación de norma de tiempos de fraguado.

La causa del fenómeno, suele ser la deshidratación parcial o total del yeso presente, por altas temperaturas durante el proceso de molienda del cemento.

Existe un ensayo normalizado, útil como comparativo de la tendencia relativa de un cemento a manifestar el fraguado rápido.

ESTABILIDAD DE VOLUMEN

Normalmente una mezcla de mortero o concreto se contrae por retracción, durante el período de hidratación del cemento (orden de 0,015%, durante 2 ó 3 meses)

La expansión de la pasta es posible, y causada por fuentes distintas a los componentes principales:

- Por la Periclasa (MgO cristalino), presente por lento enfriamiento del clinker

- Por la Cal libre (CaO), no combinada en el proceso de clinkerización, y debido a bajas temperaturas en el horno, a deficiente molienda de materias primas o a un mal proporcionamiento de ellas.

ESTABILIDAD DE VOLUMENENSAYO DE AUTOCLAVE

El ensayo de autoclave mide la expansión potencial de un cemento, a través del cambio de longitud en barras de pasta de cemento, sometidas a proceso de hidratación acelerado (dimensión de 2,5x2,5x25cm, 3 horas, 216ºC, y 20,8 Kg/cm2 de presión).

Limitación del ensayo: cuando un cemento excede el límite permitido de expansión (0,8%) en el autoclave, no necesariamente es un cemento expansivo, trabajando en condiciones de temperatura y presión ambientes.

ESTABILIDAD DE VOLUMENAGUJAS DE LE CHATELIER

El ensayo con las agujas de Le Chatelier es alternativo al del autoclave.

El ensayo mide el cambio de diámetro de cilindros hechos con pasta, con 3cm de diámetro y 0,5cm de altura

- Si se curan en agua a temperatura ambiente, la expansión es debida a exceso de cal o de sulfato de calcio (yeso)

- Si se curan en agua en ebullición la expansión de debe a exceso de cal libre y de Periclasa (MgO)

RESISTENCIA A LA COMPRESION DEL CEMENTO

La resistencia a la compresión se mide mediante la elaboración de una serie de cubos estandarizados de mortero: cubos de 50mm de arista, arena normalizada de Ottawa, proporciones establecidas, consistencia normal, etc.

El resultado es un indicativo fundamental del desempeño del cemento para la elaboración de morteros ó concretos.

La presencia de adiciones de un cemento, se verá reflejada en la progresión de la curva de resistencias

Cada clase de cemento, según su composición, finura etc, tendrá su propio desarrollo de resistencia.

INTERPRETACION INTEGRAL DE RESULTADOS DE CARACTERIZACION FISICA

La caracterización física del cemento permite inferir su comportamiento en la mezcla por lo cual debe analizarse el conjunto de resultados de ensayos físicos, así:

- Concluir con base en el resultado de un solo ensayo, induce a cometer graves errores.

- Debe analizarse la correspondencia y el sentido lógico de los resultados de ensayos.

- Con base en el conjunto de resultados y su mutua conexión, se debe inferir un comportamiento específico del cemento.

INTERPRETACION INTEGRAL DE RESULTADOS DE CARACTERIZACION FISICA

Debe tenerse claridad sobre las limitaciones y deficiencias de los métodos de ensayo usuales con el cemento Pórtland, sobre todo cuando se trabaja con cementos adicionados.

Debe entenderse el sentido de las normas y la congruencia de las mismas

Debe tenerse presente la inter-relación entre el comportamiento del cemento y el de los demás componentes del concreto.