Tema 3: Cementos. 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-08 y Marcado CE. 6. Glosario de Términos MATERIALES I Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Gonzalo Barluenga Badiola 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: se usan calizas margosas (arcillosas). Artificiales: se mezclan calizas y arcillas en proporción tal que toda la cal reaccione con los silicatos.

2 Tipos de Cementos Entre los cementos artificiales, se distinguen: Pórtland: Constituido por silicatos cálcicos (y aluminatos en menor proporción) llamados clinker, a los que se añade yeso tras la cocción (regulador del fraguado). Aluminato Cálcico: Se fabrican con caliza y bauxita (alúmina), obteniéndose aluminatos cálcicos (alta resistencia inicial) Siderúrgico: Mezcla de clinker de Pórtland, yeso y escoria de alto horno. Puzolánico: Mezcla de clinker de Pórtland, yeso y puzolana (material silíceo que mezclado con cal y agua produce compuestos hidráulicos). Especiales: Sulforesistentes, Blancos, R. amb. Marino,etc Proceso de fabricación del Cemento Portland

3 Componentes del Cemento Pórtland Son compuestos de óxidos de silicio, aluminio y calcio. Silicato tricálcico (SC 3 ): Aporta resistencia inicial Silicato bicálcico (SC 2 ): Aporta resistencia a largo plazo. Aluminato tricálcico (AlC 3 ): Aporta resistencias iniciales Acelera la velocidad de fraguado (el yeso controla su proceso de hidratación). Ferroaluminato tetracálcico (FAlC 4 ): 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: Cristales de hidróxido cálcico (cal libre). Geles tobermoríticos: Estructuras laminares formadas por silicatos y aluminatos cálcicos hidratados (CSH). Entre las láminas se sitúan moléculas de agua que se polarizan. Ettringita: Cristales de sulfo-aluminato cálcico en forma de agujas (muy expansiva).

4 Pasta de cemento hidratada Productos de la hidratación de los Cementos Pórtland

5 Productos de la hidratación Ettringita Portlandita (P. Monteiro) Proceso de hidratación del cemento

6 Proceso de hidratación del cemento Fraguado e hidratación Evolución del aporte calorífico del proceso de hidratación de una pasta de cemento (Mindess y Young, 1981 en Weiss, 2002)

7 Evolución de la microestructura Características de los Cementos Pórtland Finura de molido: facilita la 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).

8 Grado de hidratación y evolución de las propiedades mecánicas (rigidez y resistencia) Evolución de las propiedades mecánicas en función del grado de hidratación del cemento (Gutsch, 1995 en Altoubat y Lange, 2001). Adiciones Definición: Compuestos orgánicos (resinas) o inorgánicos que modifican las propiedades de los materiales conglomerados en estado endurecido. Pueden estar incorporadas al cemento (inorgánicas). Las adiciones pueden ser activas (reaccionan con los productos de hidratación del Clinker) variando la resistencia, 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).

9 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) se obtiene por enfriamiento rápido en estado de fusión del mineral de hierro en un horno alto. Puzolanas (P, Q), son sustancias naturales (P) o industriales (Q) silíceas o silico-aluminosas. Finamente molidas, reaccionan con la portlandita y forman compuestos C-S-A-H, capaces de desarrollar resistencia. Esquisto calcinado (T), contiene fases del clínker, principalmente silicato bicálcico y aluminato monocálcico (hidráulico y puzolánico) Caliza (L, LL), molida finamente actúa como filler.

10 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 constituido de sílice reactivo y alúmina partículas esféricas. (Se utilizan en la fabricación de cementos SR y MR.) Cenizas volantes calcáreas (W) Es un polvo fino que tiene propiedades hidráulicas o puzolánicas. Consta esencialmente de CaO reactivo, sílice reactivo y alúmina. Cenizas volantes (V, W)

11 Efecto de las Cenizas volantes I Efecto de las Cenizas volantes II

12 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 portalandita produciendo geles tobermoríticos (C-S-H). Se utiliza en la fabricación de cementos SR y MR y en hormigones de altas prestaciones (HAP). Densifica la matriz de cemento (fuerte aumento de resistencia) y reduce la permeabilidad (HAP). Humo de sílice (D)

13 Clasificación y designación de Cementos (RC-08) La Instrucción de cementos (RC-08) define dos grupos de cementos que se pueden utilizar en construcción: Cementos sujetos al Marcado CE: Cementos Comunes (UNE-EN 197-1) Cementos de bajo y calor de hidratación (<270 J/g) Cementos de muy bajo calor de hidratación (UNE-EN 14216) Cementos de aluminato cálcico (UNE-EN 14647) Cementos de albañilería (UNE-EN 413) Cementos no sujetos al Marcado CE : (RD ). Cementos comunes resistentes a sulfatos Cementos comunes resistentes al agua de mar Cementos blancos Cementos para usos especiales Clasificación y designación de Cementos Comunes La Instrucción de cementos (RC-08) define los tipos de cementos comunes que se pueden utilizar en construcción. Tipos de cemento: Dependen de la composición CEM I: Más de 95 % de clinker. CEM II: Entre 65 y 94 % de clinker (resto adiciones) CEM III: % de clinker y % escorias horno. CEM IV: % de clinker y % puzolanas. CEM V: Compuesto de clinker, escoria y puzolana. 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 Designación: Tipo de cemento/ Tipo de adición/ Clase resistente

14 Ejemplos de designación de cementos CEM I 42,5 N UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO PORTLAND CEM II / A-D 32,5 R UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO PORTLAND CON ADICIONES CEM II / A-M (P,T) N UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO PORTLAND COMPUESTO CEM III / B 42,5 R UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO CON ESCORIAS DE HORNO ALTO CEM IV / A (P,V) 42,5 N UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO PUZOLÁNICO CEM V / A (P,V) 52,5 R UNE-EN 197-1:2000 CEMENTO COMPUESTO II / A-V 42,5 R / BC UNE :2201 CEMENTO DE BAJO CALOR DE HIDRATACIÓN II / B-W 42,5 R / MR UNE :2001 CEMENTO RESISTENTE AL AGUA DE MAR II / A-D 42,5 N / SR UNE :2001 CEMENTO RESISTENTE A LOS SULFATOS ESP VI-1 42,5 N UNE 80307:2001 CEMENTO PARA USOS ESPECIALES BL II / A-V 42,5 R UNE 80305:2001 CEMENTO BLANCO CAC / R UNE 80310:1996 CEMENTO DE ALUMINATO DE CALCIO MC 22,5 X CEMENTO DE ALBAÑILERÍA

15 Marcado CE de los Cementos Los cementos comunes requieren Marcado CE (Sistema 1+ : Marcado, Declaración y Certificación). Los cementos especiales requieren CCRR. Si el cemento se utiliza para fabricar hormigón para estructuras, debe cumplir los requisitos de la EHE. El RC-08 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. (baldosas, placas, elementos estructurales, GRC )

16 Recepción de los Cementos (RC-08) a) control de la documentación, incluidos los distintivos de calidad, en su caso, y del etiquetado, según ; se corresponden con los del cemento solicitado; están completos reúnen todos aquellos requisitos establecidos. b) control del suministro mediante inspección visual, según ; y 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; c) en su caso, control mediante ensayos, conforme al apartado Glosario de conceptos del Tema 3 Tipos de Cemento Filleres Fabricación de cemento Portland Puzolanas Componentes del cemento Portland Cenizas volantes Productos de hidratación Humo de sílice (Microsílice) Portlandita Clasificación de cementos (RC-08) Geles tobermoríticos Cementos Comunes Ettringita Proceso de hidratación Fraguado Características del cemento Adiciones activas e inactivas Cementos de albañilería Designación de cementos (RC-08) Marcado CE cementos Aplicaciones de cementos Recepción de cementos RC-08

17 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-08 y Marcado CE. 6. Glosario de Términos