Tema 3: Cementos. MATERIALES I Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara. Cementos naturales y artificiales

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1 Tema 3: Cementos. 1. Cementos naturales y artificiales. 2. Fabricación de cementos 3. Cemento tipo Portland. Componentes y productos de hidratación. 4. Adiciones. Tipos y efectos que producen. 5. Normativa, designación y aplicaciones: RC-16 y Marcado CE. 6. Glosario de Términos MATERIALES I Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Cementos naturales y artificiales Son materiales conglomerantes obtenidos por calentamiento hasta la clinkerización (sinterización) de carbonato cálcico, sílice y alúmina. Los productos obtenidos son hidráulicos (silicatos y aluminatos cálcicos que fraguan bajo el agua). Se muelen hasta obtener materiales en forma de polvo muy fino. Aunque se trata de materiales artificiales, se distinguen: - Naturales: material resultante de la calcinación de margas (mezclas naturales caliza y arcilla). Composición variable según las capas y filones de la cantera. - Artificiales: se fabrica con mezclas, preparadas y dosificadas, en proporción tal que toda la cal reaccione con los silicatos. 1

2 Tipos de Cementos Entre los cementos artificiales, se distinguen: Pórtland: resultante de calcinar hasta un principio de fusión mezclas rigurosamente homogéneas de caliza y arcilla, obteniendose clínquer, constituído por silicatos y aluminatos anhidros, al que se añade yeso (regulador del fraguado). Aluminato Cálcico (aluminoso): Se fabrican con caliza y bauxita (alúmina), obteniéndose aluminatos cálcicos Siderúrgico: Mezcla de clinker de Pórtland, yeso y escoria de alto horno. Puzolánico: Mezcla de clinker de Pórtland, yeso y puzolana. Especiales: Sulforesistentes, Blancos, Resistentes ambiente Marino, etc Proceso de fabricación del Cemento Portland 2

3 Componentes del Cemento Pórtland El clínker de cemento Portland contiene 4 componentes principales: Silicato tricálcico (C 3 S): Aporta resistencia inicial, endurecimiento rápido. Silicato bicálcico (C 2 S): Aporta resistencia a largo plazo, endurecimiento a largo plazo. Aluminato tricálcico (C 3 A): Poca resistencia, se altera fácilmente en presencia de sulfuros. Ferritoaluminato tetracálcico (C 4 AF): Acelera el fraguado. Los óxidos de hierro actúan como fundentes. Dan el color gris al cemento (no se incluyen en los cementos blancos). Productos de hidratación del Cemento Portland Al entrar en contacto con agua, los componentes del cemento reaccionan (se hidratan), formando productos: Portlandita (hidróxido de calcio): mantener el ph en valores altos. Geles tobermoríticos (CSH): Estructuras laminares formadas por silicatos y aluminatos cálcicos hidratados. Entre las láminas se sitúan moléculas de agua que se polarizan. resistencia mecánica. Ettringita (trisulfoaluminato de calcio): Cristales de sulfoaluminato cálcico en forma de agujas (muy expansiva). 3

4 Productos de la hidratación de los Cementos Pórtland Geles tobermoríticos Portlandita Portlandita (P. Monteiro) Ettringita 4

5 Proceso de hidratación del cemento La pasta de cemento recién amasada, está constituida por la mezcla intima de granos de cemento anhidro, agua y aire ocluido En el grano de cemento anhidro, duro y vítreo penetra lentamente el agua disolviendo e hidratando los Aluminatos, Silicatos y Ferritos. En esta reacción química se desprende calor y precipitan partículas. Estas partículas de cemento hidratado rodeadas de agua fuertemente unidas a ellas por absorción forman el Gel. Las partículas precipitadas hidratadas que forman el Gel, se comprimen por la continuidad del proceso, hasta quedar con intersticios llenos de agua. Se producen fuerzas físicas que dan lugar al fraguado. Los huecos existentes se rellenan de Gel (mayor volumen). En el cemento Portland el Gel formado es TOBERMORITA. Un gel es: un sistema disperso coherente, de naturaleza coloidal, con características mecánicas propias de los estados solidos. Fases en el fraguado y endurecimiento del cemento Pórtland Fraguado e hidratación Rapid Heat Evolution ETAPA 1 (<15 mins) Calor de hidratación ETAPA 2 (2-4 hrs) ETAPA 3 (4-8 hrs) ETAPA 4 (8-24 hrs) ETAPA 5 (>24 hrs) Tiempo I ETAPA: II ETAPA: III ETAPA: IV ETAPA: V ETAPA: PERIODO INICIAL O DE PREINDUCCIÓN: cuando se mezcla el silicato tricálcico (C 3 S) con agua rápida evolución de calor que cesa en unos 15 min. C 3 S se disuelve superficialmente suministrando C-S-H- PERIODO DURMIENTE reducción velocidad. Consumo de agua y cantidad de hidratos formados son muy pequeños ( cemento Portland queda manejable y trabajable (estado plástico)). Inicio de fraguado. Continuación de la hidratación del C 3 S y C 3 A desprendimiento de calor. Fin del fraguado y comienzo del endurecimiento inicial. PERÍODO DE DECELERACIÓN. Crecimiento de CSH. Disminución del calor de hidratación y de la velocidad de reacción. El pico: ettringita monosulfato PERIODO DE DIFUSIÓN ESTACIONARIO. Crecimiento de la capa de CSH hasta que no haya C 3 S que hidratar. La hidratación de C 2 S es similar a la de C 3 S. 5

6 Características de los Cementos Pórtland Finura de molido: a mayor finura más rapidez de hidratación del cemento. Tiempo de fraguado: Tiempo que tarda la pasta de cemento en adquirir rigidez (principio y fin de fraguado). PH: muy alcalino (por la presencia de portlandita). Retracción: debida al agua de amasado no combinada. Calor de hidratación: Depende de la velocidad del fraguado (componentes del cemento). Rigidez y Resistencia mecánica : La pasta al fraguar adquiere rigidez y, con el tiempo, resistencia (endurece). Adiciones Definición: Compuestos orgánicos (resinas) o inorgánicos que modifican las propiedades de los materiales conglomerados en estado endurecido. Las adiciones pueden ser: Activas, reaccionan con los productos de hidratación del Clinker variando la resistecia o Inactivas, no aportan resistencia. Si tienen una elevada finura, mejoran la homogeneidad. Pueden reducir la durabilidad del material (pérdida del ph alcalino que inhibe la corrosión). 6

7 Adiciones de los Cementos Pórtland Los cementos actuales no son clinker puro. Todos llevan adiciones minerales (componentes que reaccionan con los productos de hidratación). Las más habituales son: Filler calizo (L, LL) Cenizas volantes (V, W)) Escorias (S) Puzolanas (P, Q) Humo de sílice o Microsílice (D) Adiciones minerales Escoria granulada de horno alto (S), es un material con propiedades hidráulicas cuando se activa o reacciona de forma adecuada. Se obtiene por enfriamiento rápido en estado de fusión del mineral de hierro en un horno alto. Puzolanas (P, Q): Finamente molidas, reaccionan con la portlandita y forman compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio, capaces de desarrollar resistencia. - Puzolana natural (P): materiales de origen volcánico o rocas sedimentarias. - Puzolana natural calcinada (Q): materiales de origen volcánico, arcillas, pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamiento térmico. 7

8 Adiciones minerales Esquisto calcinado (T): contiene fases del clínker, principalmente silicato bicálcico y aluminato monocálcico (hidráulico y puzolánico). Caliza (L, LL): molida finamente actúa como filler (material de relleno). Cenizas volantes (V, W) Se obtienen por precipitación de cenizas de hornos alimentados con carbón pulverizado. Se distinguen dos tipos: Cenizas volantes silíceas (V): Es una puzolana industrial en forma de polvo fino de partículas esféricas. Constituido de sílice reactivo y alúmina. Se utiliza en la fabricación de cementos resistentes a los sulfatos (SR) y cementos resistentes al agua de mar (MR ). Cenizas volantes calcáreas (W): Es un polvo fino que tiene propiedades hidráulicas y/o puzolánicas. Consta esencialmente de oxido de calcio reactivo, sílice reactivo y alúmina. 8

9 Cenizas volantes (V, W) completamente vacías Conteniendo un empaquetamiento de pequeñas esferas Humo de sílice (D) Es un subproducto de la reducción de cuarzo de elevada pureza con carbón en hornos eléctricos de arco, para la producción de silicio y aleaciones de ferrosilicio. Está constituido por partículas muy pequeñas con alto contenido de sílice amorfa (es muy reactivo). Reacciona con la portlandita produciendo geles tobermoríticos (C-S-H). Se utiliza en la fabricación de cementos SR (resistentes a sulfatos) y MR (resistentes a agua de mar) y en hormigones de altas prestaciones (HAP). Densifica la matriz de cemento (fuerte aumento de resistencia) y reduce la permeabilidad (HAP). 9

10 Clasificación y designación de Cementos (RC-16) La Instrucción de cementos (RC-16) define dos grupos de cementos que se pueden utilizar en construcción: Cementos sujetos al Marcado CE: - Cementos comunes (UNE-EN 197-1). - Cementos comunes resistentes a sulfatos. - Cementos de bajo calor de hidratación. - Cementos especiales de muy bajo calor de hidratación (UNE- EN 14216). - Cementos de aluminato cálcico (UNE-EN 14647). - Cementos de albañilería (UNE-EN 413-1). Cementos sujetos al Real Decreto 1313/1988: - Cementos resistentes a sulfatos. - Cementos comunes resistentes al agua de mar. - Cementos blancos. - Cementos para usos especiales. Cementos Comunes. Clasificación y designación La Instrucción de cementos (RC-16) define los tipos de cementos comunes que se pueden utilizar en construcción. Tipos de cemento: Dependen de la composición CEM I (Cemento Portland): Más de 95 % de clinker. CEM II: Entre 65 y 94 % de clinker, el resto adiciones. CEM III (Cemento de horno alto): % de clinker y % escoria. CEM IV (Cemento puzolánico): % de clinker y % humo de silice o puzolana natural o cenizas volantes siliceas o combinación de ellas. CEM V (Cemento compuesto): 20-64% de clinker, 18-50% escoria de horno alto, y el resto de puzolana natural o cenizas volantes o una combinacion de estas. 10

11 Clasificación y designación de Cementos Comunes Clases resistentes: resistencia a compresión a los 28 días. 32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R R= alta resistencia inicial N= resistencia inicial normal L= baja resistencia inicial (RC-16) Designación: Norma EN de referencia - Tipo de cemento / Subtipo - Tipo de adición Clase resistencia Tipo de resistencia 11

12 (RC-16) (RC-16) Ejemplos de designación de cementos EN CEM I 42,5 R Cemento pórtland de clase resistente 42,5 y alta resistencia inicial EN CEM II / A-L 32,5 N Cemento pórtland con caliza, subtipo A, contenido entre 6-20% en masa de caliza, clase resistente 32,5 y resistencia inicial normal EN CEM II / A-M (S-V-L) 32,5 R Cemento portland mixto con un contenido entre el 6-20% en masa de escoria granulada de horno alto (S), en ceniza volante silícea (V) y en caliza (L), de clase resistente 32,5 y alta resistencia inicial EN CEM III/B 32,5 L Cemento de horno alto, subtipo B, con un contenido en escoria granulada de horno alto (S) entre 66-80%, clase resistente 32,5 y baja resistencia inicial. UNE-EN CAC Cemento de aluminato de calcio. UNE-EN MC 12,5 X Cemento de albañilería, de clase resistente 12,5 y sin aditivo inclusor de aire. I 42,5 R/SR UNE Cemento pórtland resistente a los sulfatos, de clase resistente 42,5 y con alta resistencia inicial. 12

13 Marcado CE de los Cementos (I) La comercialización de cemento en el territorio europeo está regulada por el Reglamento de Productos de la Construcción 305/2011 Los cementos comunes requieren Marcado CE: Sistema 1+ (requiere intervención de un organismo notificado para realizar la auditoría de control de producción en fábrica) y Normas armonizadas EN 197-1:2011 Cemento común, EN 14216:2004 Cementos especiales de muy bajo calor de hidratación, EN 197-4:2004 Cementos de escorias de horno alto de baja resistencia inicial, EN 413-1:2011 Cementos de albañilería. Marcado CE de los Cementos (II) Responsabilidades del fabricante: Implantar un Control de producción en fábrica (CPF). Realizar un programa de ensayos de autocontrol y de contraste Responsabilidades del organismo notificado: Realizar la inspección inicial, su evaluación y aceptación de control de producción en fábrica. Realizar inspecciones anuales de vigilancia y evaluación. Ensayos de tipo. Ensayos de seguimiento o contraste. Estudio estadístico de resultados Documentos del marcado CE: Certificado de constancia de las prestaciones del cemento (ON). Declaración de prestaciones de la cemento (Fabricante). Marcado CE y etiquetado del cemento (Fabricante). 13

14 Marcado CE de los Cementos (III) Si el cemento se utiliza para fabricar hormigón para estructuras, debe cumplir los requisitos de la EHE. El RC-16 recoge la necesidad de realizar ensayos de caracterización si el cemento no posee un Distintivo de calidad reconocido dentro de la UE. Los ensayos no son obligatorios si tiene marcado CE, Distintivo de calidad o no es para aplicaciones estructurales. Productos y aplicaciones de los Cementos Pastas: Mezclas de cemento y agua con otros componentes minoritarios (pastas de agarre, revestimientos, capas niveladoras, lechadas) Morteros: Cemento, agua, arena y otros componentes minoritarios (Revestimientos, albañilería, pavimentos ) Hormigones: Cemento, agua, arena, grava y otros componentes minoritarios (Aplicaciones estructurales) Prefabricados: Productos hechos en fábrica (adoquines, bloques, bordillos, baldosas, elementos estructurales, GRC (Glass Fibre Reinforced Cement o microhormigón armado con fibra de vidrio), ) 14

15 Recepción de los Cementos (RC-16) 1 era fase: Comprobación de la documentación y del etiquetado del cemento, incluidos los distintivos de calidad, según 8.1: se corresponden con los del cemento solicitado, están completos, reúnen todos aquellos requisitos establecidos. 2º fase: Control mediante inspección visual, según 8.2. no presenta síntomas de meteorización relevante, no contiene cuerpos extraños, no presenta de manera evidente muestras de heterogeneidad en su aspecto o en su color. 3 era fase: Control mediante la realización de ensayos, según apartado 8.3. De identificación (resistencias mecánicas, determinación de componentes) Complementarios (estabilidad de volumen tiempos de fraguado, residuo insoluble, contenidos de sulfato y de cloruros) Bibliografia Instrucción para la recepción de cementos RC-16. Otra: (Asociacón Esañola de Normalización y Certificacón) (Instituto Español de cemento y sus aplicaciones) (Asociación Española para la Calidad) (Cementos mexicanos) 15

16 Tema 3: Cementos. 1. Cementos naturales y artificiales. 2. Fabricación de cementos 3. Cemento tipo Portland. Componentes y productos de hidratación. 4. Adiciones. Tipos y efectos que producen. 5. Normativa, designación y aplicaciones: RC-16 y Marcado CE. 6. Glosario de Términos 16