CEMENTO Y SUS APLICACIONES Dra. Ing. Rosaura Vásquez A. Cementos Pacasmayo S.A.A. 1. CEMENTO HIDRAÚLICO Material inorgánico finamente dividido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece en virtud de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. Fragua y endurece por reacción química con el agua (hidratación del cemento). 1
2. CEMENTOS PORTLAND: TIPOS 2.1 CEMENTOS PORTLAND: Clinker + Yeso + CALIZA (máx. 5%) 2.2 CEMENTOS PORTLAND ADICIONADOS: Clinker + Yeso + ADICIÓN MINERAL 3. CEMENTOS PORTLAND: TIPOS Y APLICACIONES TIPO I: TIPO II: TIPO III: TIPO IV: TIPO V: De uso general. De uso general, especific. cuando se desea:. moderada resistencia a los sulfatos o. moderado calor de hidratación. Alta resistencia inicial. Bajo calor de hidratación. Alta resistencia a los sulfatos. 2
4. CEMENTOS PORTLAND ADICIONADOS: Clinker + Yeso + ADICIÓN MINERAL ADICIÓN MINERAL: Materiales inorgánicos que se incorporan al cemento o al concreto, con el fin de mejorar sus propiedades. PRINCIPALES ADICIONES: a) Puzolanas b) Escoria de Alto Horno c) Fillers 4.1 TIPOS CEMENTOS PORTLAND PUZOLÁNICOS 1. Cemento Portland Puzolánico Tipo IP: Producido mediante molienda conjunta de clinker y puzolana(contenido de puzolana:15% - 40%) 2. Cemento Portland Puzolánico Modificado Tipo I(PM): Producido mediante molienda conjunta de clinker y puzolana (contenido de puzolana < 15%). 3
CEMENTOS PORTLAND DE ESCORIA 1. Cemento Portland de Escoria Tipo IS: Producido mediante molienda conjunta de clinker y escoria (contenido de escoria: 25% - 70%). 2. Cemento Portland de Escoria Modificado Tipo I(SM): Producido mediante molienda conjunta de clinker y escoria (contenido de escoria < 25%). CEMENTO PORTLAND COMPUESTO TIPO ICo Cemento Portland obtenido por pulverización conjunta de clinker Portland, materias calizas y/o inertes hasta un máximo de 30%. 4
4.2 CEMENTOS PORTLAND ADICIONADOS: APLICACIONES CEMENTO TIPO APLICACIONES PORTLAND PORTLAND PUZOLÁNICO PORTLAND DE ESCORIA PORTLAND COMPUESTO I IP, I(PM) IS, I(SM) ICo Uso general Uso general Uso general Uso general Cementos adicionados propiedades especiales: Moderada resistencia a los sulfatos (MS) Moderado calor de hidratación (MH) Baja reactividad con agregados álcali-reactivos. 5. CEMENTOS PORTLAND. ESPECIFICACIÓN DE LA PEFORMANCE. Requisitos de performance física de los cementos.. No existen restricciones a la composición química del cemento o de sus constituyentes. TIPOS: Tipo GU: Tipo HE: Tipo MS: Tipo HS: Tipo MH: Tipo LH: Uso general. Alta resistencia inicial. Moderada resistencia a los sulfatos. Alta resistencia a los sulfatos. Moderado calor de hidratación. Bajo calor de hidratación. Opción R: Baja reactividad con agregados álcali-reactivos. 5
II. COMPUESTOS QUÍMICOS DEL CEMENTO 1. C OM PO SIC IÓN Q U ÍM IC A D EL C LIN K ER SiO 2: 16-26 % Al2O 3: 4-8 % Fe2O 3: 2-5 % CaO: 58-67 % MgO: 1-5 % SO 3: 0,1-2,5 % M n 2O 3: 0-3,0 % TiO 2: 0-0,5 % P 2O 5: 0-1,5 % PxC: 0,5-3,0 % Na2O + K 2O: 0-1 % 6
1.1 Cálculo potencial de Bogue Permite calcular la composición mineralógica del clinker a partir del análisis químico. C 3 S = (4,071 x %CaO) - (7,600 x %SiO 2 ) - (6,718 x %Al 2 O 3 ) - (1,430 x %Fe 2 O 3 ) - (2,852 x %SO 3 ) C 2 S = (2,867 x %SiO 2 ) - (0,754 x %C 3 S) C 3 A = (2,650 x %Al 2 O 3 ) - (1,692 x %Fe 2 O 3 ) C 4 AF = 3,043 x %Fe 2 O 3 2. FASES MINERALES (COMPUESTOS) DEL CLINKER DESIGNACIÓN FÓRMULA ABREVIATURA Silicato tricálcico Silicato dicálcico Aluminato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico Cal libre Magnesia libre (periclasa) 3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 4CaO.Al2O3.Fe2O3 CaO MgO C3S C2S C3A C4AF 7
FASES MINERALES DEL CLINKER 3. COMPUESTOS PRINCIPALES DEL CEMENTO a) Silicato tricálcico (C 3 S): Fase denominada alita. Constituye del 50% al 70% del clinker. Se hidrata y endurece rápidamente. Responsable, en gran parte, del inicio del fraguado. Aporta resistencia a corto y largo plazo (a mayor porcentaje de C 3 S mayor resistencia). 8
b) Silicato dicálcico (C 2 S): Fase denominada belita. Constituye del 15% al 30% del clinker. Se hidrata y endurece lentamente. Contribuye al incremento de la resistencia a edades mayores de 7 días. Belita (C 2 S) Alita (C 3 S) c) Aluminato tricálcico (C 3 A): Constituye aprox. del 5% al 10% del clinker. Libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. Contribuye al desarrollo de las resistencias muy tempranas y al fraguado del cemento. Vulnerable a la acción de los sulfatos: forman producto expansivo (etringita). 9
d) Ferroaluminato tetracálcico (C 4 AF): Constituye aprox. del 5% al 15% del clinker. Se hidrata con rapidez pero contribuye muy poco a la resistencia. Su formación reduce la T de clinkerización. e) Sulfato de calcio: Yeso: CaSO 4.2H 2 O Anhidrita: CaSO 4 Se adiciona al cemento (aprox. 5%), durante su molienda, para controlar el fraguado: controla la hidratación del C 3 A. Ayuda a controlar la contracción por secado y puede influenciar la resistencia. 10
3.1 Influencia de los compuestos en las propiedades del cemento FASE VELOCIDAD DE HIDRATACIÓN CALOR DE HIDRATACIÓN DESARROLLO DE RESISTENCIA C3S Rápida Alto (120 cal/g) Rápido y prolongado C2S Lenta Bajo (62 cal/g) Lento y muy prolongado C3A Muy rápida Muy alto (207 cal/g) Muy rápido y de corta duración C4AF Rápida Moderado (100 cal/g) Lento y poco significativo III. REQUISITOS DEL CEMENTO 11
1. REQUISITOS QUÍMICOS a) Óxido de magnesio (MgO): Cristaliza como Periclasa, con incremento de volumen, originando grietas que fisuran al concreto. b) Trióxido de azufre (SO 3 ): Forma equivalente de expresar los sulfatos presentes en el cemento. c) Pérdida por ignición: Una elevada pérdida por ignición es índice de la hidratación o carbonatación del cemento producida por un almacenamiento incorrecto y prolongado. El envejecimiento del cemento disminuye la resistencia y aumenta los tiempos de fraguado. d) Residuo insoluble: Índice de la transformación de óxidos en compuestos. Ensayo con el que se puede verificar, de ser el caso, si un cemento Portland ha sido adulterado. 12
e) Álcalis (Na 2 O + K 2 O): La reacción álcali-agregado se produce entre determinados agregados reactivos y los álcalis del cemento, formándose un gel que absorbe agua, se dilata y genera presiones internas que fisuran el concreto. Los problemas de expansión debidos a la reacción álcaliagregado se pueden evitar o controlar utilizando:. Cementos Portland de bajo contenido de álcalis: Álcalis equivalentes: (Na 2 O + 0,658 K 2 O) < 0,60 %. Cementos Portland adicionados (Opción R). Opción R: Baja reactividad con agregados álcali-reactivos. Concreto con presencia de gel de reacción álcali-sílice (RAS) Fisuración característica por reacción álcali-sílice 13
2. REQUISITOS FÍSICOS a) Resistencia a la compresión: Se determina llevando a la rotura especímenes cúbicos de 50 mm de lado, preparados con mortero consistente de una parte de cemento y 2,75 partes de arena estándar, dosificados en masa (a/c=0,485). Los cubos se curan un día en su molde y luego son retirados de su molde e inmersos en agua de cal hasta su ensayo (3, 7 y 28 días). b) Tiempo de fraguado: Fraguado: Condición alcanzada por una pasta, mortero o concreto de cemento cuando han perdido plasticidad a un grado arbitrario. Se determina observando la penetración de una aguja en la pasta de cemento: Ensayo del tiempo de fraguado en pasta usando la aguja de Vicat 14
c) Expansión en autoclave: Un espécimen prismático (25 mm de sección transversal cuadrada y 250 mm de longitud), curado 24 horas en cámara húmeda, se coloca en una autoclave, a una T y P especificadas. Luego se mide la expansión producida. Determina la posibilidad de una expansión potencial causada por la hidratación tardía de la CaO libre, o del MgO, o de ambos, presentes en cantidades excesivas en el cemento Portland. d) Resistencia a los sulfatos: El concreto expuesto a concentraciones perjudiciales de sulfatos, debe elaborarse con cementos resistentes a sulfatos: Cementos de moderada resistencia a los sulfatos: - Cemento Portland Tipo II. - Cementos Portland adicionado Tipo MS. Cementos de alta resistencia a los sulfatos: - Cemento Portland Tipo V. - Cemento Portland adicionado Tipo HS. 15
Deterioro del concreto por ataque de sulfatos Origen: del suelo; aguas superficiales, subterráneas; materias primas del concreto. Reacciones que producen expansión: SO 4-2 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O CaSO 4. 2H 2 O + 2(OH) - Yeso Volumen > 100% SO -2 4 + C 3 A + H 2 O C 3 A.3CaSO 4.32H 2 O Etringita Volumen > 200% Agrietamiento debido al ataque por sulfatos 16
e) Calor de hidratación: Calor generado cuando reaccionan el cemento y el agua (hidratación del cemento es proceso exotérmico). En estructuras de gran volumen, la rapidez y la cantidad de calor generado son importantes: crean esfuerzos perjudiciales que fisuran el concreto.. Los cementos con bajos contenidos de C 3 A y C 3 S generan bajo calor de hidratación.. El incremento de: finura del cemento, contenido de cemento y T de curado aumentan calor de hidratación. Cemento portland Tipo II, de moderado calor de hidratación: Suma (C 3 S + C 3 A) 58 %. 17
IV. NORMATIVIDAD - 5 normas sobre especificaciones, - 1 norma de muestreo e inspección, - 1 norma sobre terminología, - 4 normas sobre adiciones, - 4 normas sobre aditivos, - 45 normas sobre métodos de ensayo. Las Normas Técnicas Peruanas (NTP) guardan armonía con las Normas ASTM. 1. NORMAS SOBRE ESPECIFICACIONES 1.1 CEMENTOS PORTLAND: NTP 334.009:2005 1.2 CEMENTOS PORTLAND ADICIONADOS: NTP 334.090:2007 1.3 CEMENTOS PORTLAND. ESPECIFICACIÓN DE LA PERFORMANCE: NTP 334.082:2008 1.4 CEMENTO DE ALBAÑILERÍA: NTP 334.069:1998 18
CEMENTOS PORTLAND REQUISITOS FÍSICOS REQUISITOS FÍSICOS NORMA ASTM NORMA TÉCNICA PERUANA Tipo I ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo II ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo V ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo MS ASTM C 1157 NTP 334.082 IP, I(PM), ICo ASTM C 595 NTP 334.090 Resistencia a compresión 3 días, kg/cm 2, mín. 7 días, kg/cm 2, mín. 28 días, kg/cm 2, mín. 120 190 280* 100 170 280* 80 150 210 100 170 280* 130 200 250 Tiempo de fraguado, min. Inicial, mín. Final, máx. 45 375 45 375 45 375 45 420 45 420 Expansión en autoclave, %, máximo. 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 Resistencia a los sulfatos, % máximo de expansión. 0,04* (14 días) 0,10 (6 meses) 0,10* (6 meses) Calor de hidratación, 7 días, máx, kj/kg 28 días, máx, kj/kg *Requisito opcional. 290* 290* 330* CEMENTOS PORTLAND REQUISITOS QUÍMICOS REQUISITOS QUÍMICOS NORMA ASTM NORMA TÉCNICA PERUANA Tipo I ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo II ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo V ASTM C 150 NTP 334.009 Tipo MS ASTM C 1157 NTP 334.082 Tipo IP, I(PM) ASTM C 595 NTP 334.090 Tipo ICo NTP 334.090 Óxido de magnesio (MgO), máx, % 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 Trióxido de azufre (SO 3), máx, % 3,5 3,0 2,3 4,0 4,0 Pérdida por ignición, máx, % 3,0 3,0 3,0 5,0 8,0 Residuo insoluble, máx, % 0,75 0,75 0,75 Aluminato tricalcico(c 3A), máx, % 8 5 Álcalis Equivalentes (Na 2O + 0,658 K 2O), máx, % *Requisito opcional. 0,6* 0,6* 0,6* 19
Cemento Portland Tipo I Conforme a la NTP 334.009 / ASTM C150 Pacasmayo, 06 de marzo del 2009 COMPOSICIÓN QUÍMICA CPSAA Requisito NTP 334.009 / ASTM C150 MgO SO3 Pérdida por Ignición Residuo Insoluble % % % % 2.5 2.6 2.6 0.60 Máximo 6.0 Máximo 3.0 Máximo 3.0 Máximo 0.75 PROPIEDADES FISICAS CPSAA Requisito NTP 334.009 / ASTM C150 Contenido de Aire Expansión en Autoclave Superficie Específica Densidad % % cm2/g g/ml 4 0.21 3800 3.14 Máximo 12 Máximo 0.80 Mínimo 2800 NO ESPECIFICA Resistencia Compresión : Resistencia Compresión a 3días Resistencia Compresión a 7días Resistencia Compresión a 28días (*) MPa (kg/cm2) MPa (kg/cm2) MPa (kg/cm2) 24.5 (250) 29.6 (302) 35.0 (357) Mínimo 12.0 (Mínimo 122) Mínimo 19.0 (Mínimo 194) Mínimo 28.0 (Mínimo 286) Tiempo de Fraguado Vicat : Fraguado Inicial min 119 Mínimo 45 Fraguado Final min 268 Máximo 375 Liderando la fabricación de cementos especializados. 20
CEMENTO TIPO I: De uso general en la construcción. Para obras que no requieren propiedades especiales. CEMENTO TIPO V: Para obras que requieran alta resistencia a los sulfatos. CEMENTO ANTI SALITRE MS: Moderada resistencia a los sulfatos. Para estructuras en contacto con ambientes y suelos húmedos-salitrosos y estructuras expuestas al agua de mar. CEMENTO EXTRA FORTE: De uso general en la construcción. Para columnas, losas, cimentaciones y obras no expuestas a suelos húmedos-salitrosos. 21
CEMENTO ANTI SALITRE MS: Moderada resistencia a los sulfatos. Para estructuras en contacto con ambientes y suelos húmedos salitrosos y estructuras expuestas al agua de mar. Resistente a los sulfatos Reacciones de deterioro por ataque de sulfatos: 1. SO 4-2 + Ca(OH) 2 CaSO 4. 2H 2 O + (OH) - 2. CaSO 4 + C 3 A Etringita El efecto de las adiciones en el cemento implica: - remoción del Ca(OH) 2 por rx. con la adición. - reducción de la permeabilidad; - dilución del contenido de C 3 A. 22
Resistente a la acción del agua de mar (presencia de sulfatos y cloruros) Cementos portland con adición de escoria (resistentes a sulfatos y cloruros) mejores que los cementos de muy bajo C 3 A (resistentes a sulfatos). Cementos portland con: 5% [ C 3 A[10% (Fuente: Comite Euro-Internacional del Concreto, 1992). Cementos con C 3 A hasta de 10% si a/c [ 0,4. (Fuente: ACI 318-02). REQUISITOS PARA CONCRETOS EXPUESTOS A SOLUCIONES QUE CONTIENEN SULFATOS Exposición a sulfatos Sulfatos solubles en agua (SO4) en el suelo, % en peso Sulfato (SO4) disuelto en el agua, ppm Tipo de Cemento Concreto con agregado de peso normal, relación agua/materiales cementosos máxima Concreto con agregado de peso normal y ligero, resistencia a compresión mínima, f'c, kg/cm² (MPa) Insignificante 0,00 SO4 < 0,10 0 SO4 < 150 Sin restricción en el tipo 175 (17) Moderada 0,10 SO4 < 0,20 150 SO4 < 1500; agua marina II, IP(MS), IS(MS), MS 0,50 280 (28) Severa 0,20 SO4 2,00 1500 SO4 10000 V, IP(HS), IS(HS), HS 0,45 315 (31) Muy severa SO4 > 2,00 SO4 > 10000 [V, IP(HS), IS(HS), HS] + puzolana o escoria 0,45 315 (31) Fuente: ACI 318S-08. 23
Liderando la fabricación de cementos especializados. FECHA DE ENVASADO CEMENTO FRESCO 24