Están compuestos por dos o más óxidos principales (de sílice, aluminio, )

Transcripción

1 TEMA 2. CEMENTOS Los cementos son conglomerantes hidráulicos formados por materiales pulverulentos 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. Los cementos se emplean para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y áridos, ya sean naturales o artificiales. 1. COMPSICIÓN DEL CEMENTO PORTLAND El cemento portland está formado por la molienda conjunta del producto resultante de la cocción del clinker (mezcla de caliza y arcilla) y un regulador de fraguado (yeso dihidratado) COMPONENTES PRINCIPALES DEL CLINKER PORTLAND Están compuestos por dos o más óxidos principales (de sílice, aluminio, ) Silicato tricálcico (Alita) C 3S Silicato bicálcico (Belita) C 2S Aluminato tricácico (-) C 3A Ferrito Aluminato Tetracálcico (Celita) C 4AF *De todos los componentes principales los silicatos forman el 60-80% (son los que dan la resistencia mecánica al hormigón).

2 A. Silicato tricálcico (SC 3) o Alita: Es el componente principal del clinker. Da altas resistencias iniciales al cemento (prácticamente en una semana desarrolla su resistencia y después un desarrollo de elevación muy lento). Calor de hidratación que libera en su reacción con el agua es: 120cal/g B. Silicato bicálcico (SC 2) o Belita: Es un componente metaestable. Da poca resistencia en los primeros días, pero aumenta progresivamente hasta superar las que da el SC 3. Calor de hidratación que libera en su reacción con el agua es: 60cal/g C. Aluminato tricálcico (AC 3): Por si solo contribuye poco a la resistencia del cemento, pero en presencia de los silicatos desarrolla unas resistencias iniciales buenas. La forma en la que participa en las resistencias y endurecimiento no está clara, pero se cree que podría ser como catalizador de la reacción de los silicatos. Su hidratación es muy rápida al contactar con el agua, desarrollando un calor de hidratación de 207cal/g. *Para retrasar su actividad se utiliza yeso, que funciona como retardador de fraguado. D. Ferrito aluminato tetracálcico (FAC 4) o Celita: Apenas contribuye a la resistencia de los cementos. El hierro que posee tiene gran importancia como fundente en el horno y es el responsable del color gris-verdoso del cemento portland. Normalmente el contenido en hierro es del 3%, y si su contenido es menor al 0,5% se obtienen cementos blancos. Su hidratación es también muy rápida, aunque no tanto; desarrollando un calor de hidratación de 100cal/g COMPONENTES SECUNDARIOS DEL CLINKER PORTLAND Son considerados como los no deseados. Entran en reducidas proporciones en la composición del Clinker, pero son muy importantes debido a los efectos negativos que pueden causar. Estos son: A. Cal libre (CaO): Cal que queda sin reaccionar con alguno de los componentes principales y queda libre. La hidratación de esta cal libre es expansiva y puede dar fisuras superficiales en el hormigón. B. Óxido de magnesio (MgO): Procede de las calizas, las escorias de alto horno a veces contienen gran cantidad de MgO libre. También es expansivo, aunque a más largo plazo. El MgO más peligroso es el que se encuentra cristalizado en forma de periclasa como consecuencia de un enfriamiento lento del clínker. C. Alcalinos (K 2O y Na 2O): Proceden de las arcillas y las margas, y también en las cenizas de carbón quemado en el horno. Influyen negativamente en la durabilidad de los morteros y hormigones que contienen áridos reactivos (con sílice hidratada amorfa) dando lugar a compuestos expansivos que perjudican la adherencia entre los áridos y la pasta. Para evitar esto, cuando existan esos áridos hay que emplear cementos de bajo contenido en álcalis.

3 Además, los alcalinos solubles pueden provocar eflorescencia, aumentar retracción hidraúlica, acelerar el fraguado y poder corroer algunos vidrios puestos en contacto con el mortero u hormigón. D. Trióxido de azufre (SO 3): Se encuentra combinado en forma de sulfuro en casi todas las materias primas. Puede provocar problemas de expansión por la acción de sulfatos, y para evitarlo se limita el contenido en los cemento a un máximo de 4,5% ADICIONES Componentes 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. Éstas se incorporan en el molido del cemento, junto con el clínker y el regulador de fraguado; y si la adicción es a los morteros o a los hormigones se añaden sobre la mezcla. Estas pueden ser: A. Puzolanas naturales: Materias sólidas de naturaleza silícea y aluminosa, que se combinan con la cal hidráulica o con la procedente de la hidratación de los cementos (a temperatura ambiente y en presencia de agua) para formar compuestos similares a los originados en la hidratación de los componentes principales. Son: De origen volcánico: pómez, cenizas, escorias, De origen sedimentario: gieze Según la norma deben estar compuestas principalmente de SiO 2 reactiva y Al 2O 3, y en pequeñas cantidades de Fe 2O 3. El contenido no en SiO 2 no debe ser inferior al 25% en masa. Se pueden clasificar como la clase N (ASTM). B. Cenizas volantes: Son un residuo sólido y de fina división procedente de la combustión de carbón pulverizado. Pueden combinarse con la cal de la hidratación de los componentes principales para dar compuestos como silicatos hidratados (parecidos a los que da la hidratación del cemento) y que van a incrementar las resistencias mecánicas del cemento; y a la vez, reaccionando con la cal (como las puzolanas naturales) evitan problemas de lixiviación por ataque de aguas. De esta forma también mejorarían la durabilidad. Se componen de microesferas, y su composición es muy variables (SIO %). Se clasifican en: Clase F buena. Cenizas volantes procedentes de centrales térmicas que queman carbones de antracita, hulla o bituminosos. Clase C: proceden del quemando de centrales térmicas que queman carbones de lignito o subbituminosas. Se podría decir por lo tanto que se usan para: Corregir alguna deficiencia en la composición granulométrica. Mejorar las condiciones químicas e incrementar las resistencias a largo plazo. Hacer el hormigón más económico. La cantidad máxima de cenizas volantes adicionadas debe ser <35% peso del cemento.

4 C. Humo de sílice (microsílice): Es un subproducto pulverulento procedente de la fabricación en hornos eléctricos del silicio y del ferrosilicio a partir de cuarzo, caliza y hierro. Se emplea como adicción al cemento, y si la adición es mayor al 5% en masa solo podrá utilizarse si: Sílice amorfa (SiO 2) >85% en masa. Pérdida por calcinación <6% en masa. Superficie específica (BET) > 15m 2 /g El papel que desempeña es doble: Físico: actúa como plastificante como consecuencia de su finura. Químico: reacciona con el hidróxido de calcio procedente de los compuestos activos dando lugar a silicatos hidratados de composición parecida a los procedentes de la hidratación del cemento, y aumentando las resistencias mecánicas. Se podría decir por lo tanto que la adición de este elemento: Aumenta resistencias mecánicas. Disminuye permeabilidad (por la finura). Aumenta la cohesión de la mezcla. D. Escorias de horno alto: Es la adición que es la base de los cementos de horno alto y portland con escorias. A la salida del horno alto, las escorias se vitrifican y granulan al enfriarse bruscamente con duchas de agua o al aire. Debe estar formado por: 2/3 de CaO, MgO y SiO. Cumpliéndose que: CaO + MgO/SiO2 >1 1/3 de Al 2O 3 y pequeñas cantidades de otros óxidos. Para que desarrollen su hidraulicidad las escorias precisan de activadores o catalizadores como cal, cemento y yeso. E. Caliza: CaCO 3 finamente molido. Se utiliza para aumentar la hidraulicidad. F. Fílleres: Son materiales inorgánicos minerales naturales artificiales, especialmente seleccionados, que mejoran las propiedades del cemento. Resumen: A mayor clínker tiene el cemento: Más protegidas están las armaduras. Menor resistencia química. Mayor calor de hidratación. Si aumenta la cantidad de adición que tiene el cemento: Menos protege a las armaduras. Más resiste químicamente. Más frío es el cemento. Más económico. Menor resistencia mecánica.??

5 2. MÓDULO DEL CEMENTO PORTLAND 2.1. MÓDULO HIDRAÚLICO CaO MH = SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 -MH<1,7 Resistencias mecánicas débiles -MH>2,4 Inestabilidad de volumen 2.2. MÓDULO DE SILICATOS SiO 2 MS = Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 -MS altos (hasta 3,2) fraguado y endurecimiento lento y malas condiciones de cocción. -MS bajos (1,9) valores normales en torno al MÓDULO DE FUNDENTES Influye de forma decisiva en la formación de fase líquida en el clinker. MF = Al 2O 3 Fe 2 O 3 -MF altos (2,5): cemento de fraguado rápido (exige más yeso como regulador) -MF bajos (1,5) - Si MF=0.637 toda la alumina está formando ferrito aluminato de cal y no formará nada de aluminato tricácilco (C3A) 2.4. ÍNDICE DE SATURACIÓN EN CAL Oscila entre 0,85 y 0,90 3. FABRICACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND Hay dos sistemas para la fabricación, por vía seca y por vía húmeda, pero dado que el resultado es bastante parecido y el de vía seca es más barato, se usa éste. I. Molienda del crudo: 1. Recepción de las distintas materias primas. 2. Reducción del tamaño y criba. 3. Dosificación de las distintas materias primas. 4. Molienda del crudo (mezcla de las distintas materias primas) en un molino. Este molino es mejor cónico que de bolas, porque ahorra energía y dan mayor rendimiento. 5. Homogeneización. 6. Almacenamiento II. Clinkerización: 1. Cocción del crudo, el crudo se mete en un horno rotatorio que estará ligeramente inclinado, donde el material ira descendiendo a la vez que aumenta de temperatura hasta que se da la Clinkerización ( ºC).

6 2. Enfriamiento, tiene que darse rápidamente para evitar la cristalización del MgO en forma de periclasa y no se pierda el SC Almacenamiento para el fin del enfriamiento. III. IV. Molienda del cemento: 1. Adicción del yeso regulador de fraguado y otros correctores que requiera el cemento. La proporción de yeso dependerá del contenido en AC 3 y está comprendida normalmente entre 3-5%. 2. Se muele el clínker junto al yeso para dar mayor finura. Estos molinos suelen ser de bolas y se tiene un control sobre la temperatura para no alcanzar los 70ºC, donde el yeso dihidratado se transforma en hemihidratado y producirá una hidratación y fraguado muy rápido de este yeso, dando lugar a un falso fraguado. *Se llama fraguado instantáneo a no echar yeso. Almacenamiento y suministro: 1. Almacenamiento del cemento (no puede ni usarse inmediatamente tras la molienda ni estar mucho tiempo sin usarse -3meses-). 2. Suministro en sacos de 50kg. 4. FINURA DE MOLIDO Cuanto mayor sea la finura del cemento mejor reaccionará con el agua (pero no hay que pasarse con la finura). Los ensayos utilizados son: Tamices: no es demasiado exacto teniendo en cuenta la finura del cemento. Permeabilimetro de Blaine: El ensayo consiste en medir el tiempo en que una columna de agua desciende una altura dada, como se ve en la figura. Este método depende del flujo de aire a través de un lecho de cemento preparado en la celda del aparato. El flujo de aire es función del tamaño y número de poros, lo cual es función del tamaño de partícula. Para determinar la superficie específica, se considera a las partículas como esferas. S = K T [ cm2 ]; siendo K una cte del aparato. g

7 5. PÉRDIDA POR CALCINACIÓN Sirve para saber si el cemento que hemos comprado nos lo están vendiendo en buen estado. Pretende calcular el agua que pierde el cemento por calcinación. Una elevada pérdida por calcinación puede ser debida a una adicción de filler calizo al cemento. La pérdida permitida en CEM I y CEM III es <5% (en los otros tipos no está fijada). 6. RESIDUO INSOLUBLE El residuo insoluble de un cemento es el % del cemento que no se disuelve en HCl. El residuo insoluble puede indicar una posible alteración del cemento con materias ricas en sílice. Para CEM I y III <5%, y para CEM V <12% (en los demás tipos no se fija). 7. HIDRATACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND Cuando se mezcla el cemento con agua los silicatos y aluminatos se hidratan dando lugar a una masa rígida y dura llamada cemento endurecido. Existen dos teorías básicas del cemento+agua: Solubilidad (teoría del cristaloide) de Le Chatelier. Teoría coloidal de Michaelis. En un principio la hidratación se da por reacciones químicas, pero tras generarse una capa de gel, la difusión es el proceso que más participa en la hidratación. V cemento + V agua 2V cemento + agua ; es menor, ya que el agua se mete dentro de los poros del cemento. El proceso de hidratación está influido por: Finura del molido Temperatura de la pasta Relación agua/cemento de la pasta Presencia de adiciones Es importante la aportación de agua externa durante la hidratación (durante el curado), que darán lugar a la formación de geles que van haciendo a la pasta cada vez más impermeable y resistente. La respuesta de cada componente del cemento a la hidratación es la siguiente: Silicato tricálcio (SC 3): reacciona rápidamente con el agua dando lugar a tobermorita y portlandita según esta ecuación: 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 3 + 3CH Silicato bicálcico (SC 2): reacciona más lentamente según: 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + CH Aluminato tricálcico (AC 3): la reacción es muy rápida por el gran poder de disolución que tiene el AC 3 dando lugar a un endurecimiento rápido de la pasta fraguado relámpago. En presencia de la portlandita procedente de las reacciones anteriores de los silicatos se forman aluminatos hidratados que cristalizan hexagonalmente. Para evitar el fraguado relámpago se añade al clínker un retardador de fraguado (yeso dihidratado). AC 3 + Yeso Sulfatoaluminato cálcico hidratado

8 El AC 3 contribuye muy poco a las resistencias salvo en las edades muy tempranas, es indeseable por ser atacado por los sulfatos, pero es necesario por ser buen fundente. La cantidad de yeso que hay que añadir es muy importante para evitar que exista C 3A libre que pueda ser atacado por los sulfatos. Ferrito aluminato tricálcico (FAC 4): la reacción con el agua da aluminatos de calcio hidratados cristalizados; ferrito de calcio hidratado amorfo; y hidróxido de hierro. Secundarios (óxidos de cal y magnesio libre): reaccionan con el agua más o menos rápido dependiendo de la Tª, tiempo de cocción y velocidad de enfriamiento del clínker. Los aumentos de volumen de estos productos son: CaO Ca(OH) 2 97% MgO Mg(OH) 2 118% 8. FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO DEL CEMENTO PORTLAND Fraguado: la pasta pierde su plasticidad llegando a adquirir algo de resistencias, es decir, que el cemento está endureciendo. Entre 50min y 2 horas. Principio de fraguado: se caracteriza por iniciarse la rigidez de la pasta. Fin de fraguado: se caracteriza por la pérdida de plasticidad de la pasta. *Se determinan por el ensayo de la penetración de la aguja de Vicat. Endurecimiento: ya hay resistencia (es pequeña pero se opone a la rotura). *Se determina por ensayos de resistencia mecánica. Es importante conocer estas fases para conocer el tiempo durante el cual la pasta permanece plástica, y por lo tanto trabajable. La velocidad dependerá de: Finura de molido Tª del agua de amasado Presencia de materias orgánicas e inorgánicas. Aditivos Falso fraguado: prematura rigidización de la pasta de cemento a los pocos minutos del amasado, producida por una accidental deshidratación parcial del yeso regulador al molerlo con el clínker, y provocada por una elevación excesiva de la temperatura de la mezcla. Otra posible causa puede ser la carbonatación de los álcalis del cemento durante el almacenaje. *No debe confundirse con el fraguado relámpago producido por la hidratación del AC 3. En el caso del falso fraguado se recupera su plasticidad inicial si se sigue amasando. Para evitar este falso fraguado no se debe nunca echar más agua, pues podríamos reducir las resistencias mecánicas de los morteros u hormigones. Ensayo de la aguja de Vicat: Se utiliza un aparato llamado las agujas de Vical donde ensayamos una muestra de cemento amasado con una cierta cantidad de agua (ejemplo 500g cemento con 125g agua) introducido dentro de un molde. Aproximamos la aguja a la muestra y la dejamos penetrar anotando el valor de la longitud que penetra la sonda cuando esta queda parada. El ensayo se repetirá cambiando en contenido de agua hasta que encontremos una sonda que

9 nos dé una penetración que deje 6±1mm desde el fondo. Este será un cemento de consistencia normal. Determinación de principio de fraguado: se mete el molde de consistencia normal en un baño de agua a 20ºC, y cada 10min se saca el molde y se lleva a la aguja. El ensayo se da por concluido cuando la distancia de la base a la aguja penetrada es de 4±1mm. Determinación de fin de fraguado: se pone una nueva aguja en el instrumento que tenga un anillo y una punta un poquito metida en el anular (de forma que lo primero en penetrar sea el anular y después la punta). Se irá probando la muestra cada 30min hasta que simplemente penetre la parte anular, sin quedar marca de la penetración de la punta. 9. EXPANSIÓN DEL CEMENTO PORTLAND Es un defecto que en ocasiones presentan las pastas de cemento endurecido, y que puede provocar la destrucción de las mismas. La expansión puede ser producto de: Hidratación de la cal y/o magnesio libre, que dan lugar a hidróxidos que ocupan mayor volumen que los óxidos originales provocando expansiones. Si esta hidratación tiene lugar antes del fraguado, no se producirán tensiones; pero si es posterior se producirán tensiones que producirán la disgregación de la pasta. Exceso de contenido de yeso Es importante conocer, por lo tanto, estas expansiones; y se hace mediante ensayos acelerados. Ensayo de las agujas de Le Chatelier: Se mete una muestra de la pasta dentro del molde de las agujas, dejándose sumergido para acelerar el proceso de fraguado, y se toma la primera medida de las agujas. Luego se les somete a una temperatura hasta ebullición y se vuelve a meter en agua, despues se mide cual ha sido la deformación en esas agujas, que indicaran la expansión que ha sufrido la muestra. 10. RETRACCIÓN Y ENDURECIMIENTO DEL CEMENTO Existen cuatro movimientos del hormigón basados en los cementos: Retracción plástica: es el primer cambio volumétrico, se da antes del fraguado (es decir en estado plástico) y tiene lugar por falta de agua. Puede provocar fisuras. Suele ser del 1%. Expansión: debido a la rotura durante el fraguado de la capa de gel que recubre a los granos del cemento. Retracción de secado: debida a una pérdida de agua en la pasta endurecida. Es el cambio volumetrico más importante, produce fisuras. Por ello, es importante mantener un grado de humedad elevado los primeros días. Retracción por carbonatación: se produce en las pastas endurecidas. Se empobrece la cal. La humedad acelera las reacciones de carbonatación (carbonatación máxima para humedad 60%). Aumenta las resisitencias mecánicas de la pasta y su impermeabilidad.

10 11. RESISTENCIA DEL CEMENTO El sistema más empleado para determinar las resistencias del cementro es el ISO- RILEMCEMUREAU, que determina las resistencias a flexotracción y a compresión a través de un mortero formado por 1/4 en peso de cemento y3/4 de arena; y una relación agua/cemento de 0,5. La arena tendrá una granulometría especial. La determinación de las resistencias se hacen sobre 3 provetas 4x4x16, que se rompen a flexotracción y posteriormente las mitades a compresión. Finalmente la media de estos valores nos dará la resistencia del cemento. Se harán medidas a los 2, 7, 28,.días. Flexotracción: distancia entre apoyos 10cm y voladizos de 3cm. *La resistencia de los cementos es mayor (datos de 28 días) cuanto mayor es el contenido en SC 3 y AC 3, pero a lo largo del tiempo dependerán del tipo de cemento.