Propiedades y ensayos del cemento.


Introducción:


La mayor parte de especificaciones para el cemento portland limitan su composición química y sus propiedades físicas. La comprensión del significado de algunas de estas propiedades físicas es útil para interpretar los resultados de las pruebas que se efectúan al cemento. En general, las pruebas de las propiedades físicas del cemento deben ser utilizadas exclusivamente para evaluar las propiedades del cemento más que para el concreto.

Ensayos del Cemento

En el polvo:

En la pasta:

En el mortero:


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Finura


La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430). Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.

Inalterabilidad

La sanidad se refiere a la capacidad de una pasta endurecida para conservar su volumen después del fraguado. La expansión destructiva retardada o falta de sanidad es provocada por un exceso en las cantidades de cal libre o de magnesia. Casi todas las especificaciones para el cemento portland limitan los contenidos de magnesia (periclasa), así como la expansión registrada en la prueba de autoclave. Desde que en 1943 se adoptó la prueba de expansión en autoclave (ASTM C 151), prácticamente no han ocurrido casos de expansión anormal que puedan atribuirse a falta de sanidad.

Consistencia

La consistencia se refiere a la movilidad relativa de una pasta de cemento o mortero recién mezclado o bien a su capacidad de fluir. Durante el ensayo de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, misma que se define por una penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat, mientras se mezclan morteros para obtener ya sea una relación agua-cemento fija o para producir una cierta fluidez dentro de un rango dado. La fluidez se determina en una mesa de fluidez tal como se describe en la norma ASTM C 230. Ambos métodos, el de consistencia normal y el de la prueba de fluidez sirven para regular los contenidos de agua de las pastas y morteros respectivamente, que serán empleados en pruebas subsecuentes. Ambos permiten comparar distintos ingredientes con la misma penetración o fluidez.

Tiempo de fraguado

Para determinar si un cemento fragua de acuerdo con los tiempos especificados en la norma ASTM C 150, se efectúan pruebas usando el aparato de Vicat (ASTM C 191) o la aguja de Gillmore. El fraguado inicial de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado pronto; el fraguado final tampoco debe ocurrir demasiado tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta esta desarrollando sus reacciones de hidratación de manera normal. El yeso regula el tiempo de fraguado en el cemento. También influyen sobre el tiempo de fraguado la finura del cemento, la relación agua-cemento, y los aditivos usados. Los tiempos de fraguado de los concretos no están relacionados directamente con los tiempos de fraguado de las pastas debido a la pérdida de agua en el aire (evaporación) o en los lechos y debido a las diferencias de temperatura en la obra en contraste con la temperatura controlada que existe en el laboratorio.

Falso Fraguado

El falso fraguado (Norma ASTM C 451 para el método de la pasta y norma ASTM C 359 para el método del mortero), se comprueba por una considerable pérdida de plasticidad sin que se desarrolle calor en gran abundancia poco tiempo después del mezclado. Desde el punto de vista de la colocación y del manejo, las tendencias del cemento portland a provocar fraguado falso no causarán dificultades si el concreto se mezcla un mayor tiempo de lo normal o si es remezclado sin agregarle agua antes de ser transportado y colado.

Resistencia a la compresión:

La resistencia a la compresión, tal como lo especifica la norma ASTM C 150, es la obtenida a partir de pruebas en cubos de mortero estándar de 5 cm, ensayados de acuerdo a la norma ASTM C 109 . Estos cubos se hacen y se curan de manera prescrita y utilizando una arena estándar. La norma chilena utiliza una probeta (vigueta) de 4*4*16 cm., que se utiliza para flexotracción y las dos prtes resultantes se ensayan en compresión.

Figura: Ensayo a compresión de mortero de cemento empleando un espécimen cúbico de 5 cm de arista.

Pérdida por calcinación

La pérdida por calcinación del cemento portland se determina calentando una muestra de cemento de peso conocido a 900 ºC a 1000ºC hasta que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la pérdida en peso de la muestra. Normalmente una pérdida por calcinación elevada indica prehidratación y carbonatación, que pueden ser causadas por un almacenamiento prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la descarga. El ensaye para la pérdida por calcinación se lleva a cabo de acuerdo con la norma ASTM C 114.

Peso específico


Generalmente el peso específico del cemento portland es de aproximadamente 3.15. El cemento de escoria de alto horno y los cementos portland-puzolánicos pueden tener valores de pesos específicos de aproximadamente 2.90. El peso específico de un cemento no es indicador de la calidad del cemento; su uso principal se tiene en los cálculos de proporcionamiento de mezclas en volumen.


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Tipos de Cemento:

Introducción:


Hasta ahora hemos considerado al cemento Portland como material genérico. Sin embargo, cuando los cementos con diferentes composiciones químicas se hidratan, pueden tener propiedades distintas. Es posible, por tanto, seleccionar mezclas de materias primas para la producción de varios tipos de cementos, según las propiedades requeridas. De hecho, diversos tipos de cementos Portland están disponibles comercialmente y pueden producirse cementos especiales para usos específicos. De acuerdo a la nominación ASTM de USA (no es la chilena), los tipos de cemento son los siguientes:

Gráfico: Desarrollo de la resistencia de concretos que contienen 335 kg. de cemento por metro cúbico hechos con cemento Portland de distintos tipos: común (tipo I), modificado (tipo II), de endurecimiento rápido (tipo III), bajo en calor (tipo IV), resistente al sulfato (tipo V).

Cemento portland común (Tipo I)

Este es, con mucho, el cemento más empleado en construcciones con concreto donde no hay exposición a sulfatos presentes en suelo o en agua del subsuelo. En este tipo de cemento hay que tener especial cuidado con la cantidad de cal activa dentro de él, ya que un exceso puede causar falta de solidez del cemento. A través de los años ha habido cambios en las características del cemento Portland común: los cementos modernos tienen mayor contenido de C3S Y mayor finura que los de hace 40 años.

Cemento Portland de endurecimiento rápido (Tipo III)

Es un cemento similar al tipo 1 y se rige por las mismas normas. Como lo indica su nombre, desarrolla su resistencia rápidamente, debido a su mayor contenido de C3S (hasta 70 %) y a su mayor finura, que es la que lo diferencia del de tipo I.

La razón principal para emplear el cemento tipo III es que la cimbra se vaya a mover pronto a fin de reutilizarla o donde se requiere con rapidez una resistencia suficiente para construcción ulterior. El período de fraguado de los cementos tipo III y 1 es el mismo.

Cementos Portland especiales de endurecimiento rápido

Estos son cementos especialmente fabricados para un endurecimiento súper rápido. La alta resistencia temprana se logra por una mayor finura (de 700 a 900 m2/kg) y un mayor contenido de yeso, pero esto no afecta la solidez en el largo plazo. Sus usos típicos son en el pretensado temprano y en reparaciones urgentes.

Un cemento de fraguado regulado se hace con una mezcla de cemento Portland y fluroaluminato de calcio, con un retardador apropiado (generalmente ácido cítrico). El periodo de fraguado (1 a 30 min.) puede controlarse en la manufactura del cemento al mezclar y quemar juntas las materias primas, mientras que el desarrollo de resistencia temprana se controla por el contenido de fluroaluminato de calcio.

Cemento Portland de bajo calor (Tipo IV)


Desarrollado en Estados Unidos de América para usarse en grandes e importantes represas de gravedad, tiene un bajo calor de hidratación. Debido al contenido más bajo de C3S Y C3A, hay un desarrollo de resistencia más lento que en el cemento Portland ordinario, aunque la resistencia final no es afectada. La finura no debe ser menor de 320 m2/kg para asegurar un índice suficiente de aumento de resistencia.

Cemento modificado (Tipo II)

En algunos casos, una resistencia temprana muy lenta constituye una desventaja. Por esta razón, en Estados Unidos se desarrolló un cemento modificado, con un índice mayor de calor desarrollado que la del tipo IV y un índice de aumento de desarrollo de resistencia similar a la del tipo I. El cemento tipo II se recomienda para estructuras en las que es deseable una baja generación de calor o en las que puede darse un ataque moderado de sulfato.

Cemento resistente al sulfato (Tipo V)

Este cemento tiene un bajo contenido de C3A para evitar el ataque de sulfato desde el exterior del concreto; de otra manera, la formación de sulfoaluminato de calcio y el yeso pueden ocasionar rotura del concreto debida al incremento de volumen de los componentes resultantes. Las sales más activas son el sulfato de magnesio y de sodio. El sulfato ataca con mayor rapidez si la estructura se moja y se seca en forma alternativa, como en el caso de estructuras marinas expuestas a la marea o a chapoteo.

El calor desarrollado por el cemento resistente al sulfato no es mucho mayor que el del cemento de bajo calor, lo cual es una ventaja, aunque no es un cemento de uso general.

Cemento Portland de Alto Horno (Tipo IS)

Este cemento se elabora moliendo o mezclando juntos escoria de cemento Portland con escoria de alto horno granulados, que es un producto de desperdicio en la manufactura de lingotes de hierro. La escoria contiene cal, sílice y alúmina.

El cemento Portland de alto horno es semejante al cemento Portland común (tipo I), si consideramos finura, tiempos de fraguado y solidez. Sin embargo, su resistencia temprana generalmente es menor que la del cemento tipo I; las resistencias posteriores son semejantes. Sus usos típicos son en masa de concreto, debido al bajo calor de hidratación, y en construcciones marinas, por su mayor resistencia al sulfato (debida al menor contenido de C3A).

Puzolanas


La Puzolana se define como un material silicoso o, silicoso y aluminoso que en sí mismo no posee valor cementante, pero que lo tendrá en una forma dividida y fina en presencia de humedad. Reacciona a temperaturas normales y tiene reacciones químicas con la cal, por lo cual se forman compuestos con propiedades aglutinantes.

Los materiales típicos de este tipo son cenizas volcánicas (la puzolana original), pumicita, exquisitos de opalina y pedernal, tierra diatomacea calcinada, arcilla quemada y ceniza de combustible calcinada o fuel ash.

Cementos Portland-Puzolánicos


Por regla general, los cementos Portland-puzolánicos generan una resistencia lenta y, por tanto, requieren curado durante un periodo comparativamente largo, pero su resistencia en el largo plazo es alta. Los cementos puzolánicos suelen ser más baratos que el cemento Portland, al cual sustituyen, pero su ventaja principal radica en su hidratación lenta y, por tanto, en su bajo índice de desarrollo de calor. Los cementos prioducidos en Chile, que son en su gran mayoría portland - puzolánicos o siderúrgicos, generan resistencias en forma similar a los portland normales. Esto se consigue con mayor finura de molienda.