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Programa1 Cemento Portland, definiciones, fabricación

2 Hidratación del cemento, tipos s/n ASTM

3 Propiedades físicas del cemento

4 Adiciones

5 Otros tipos de cementos

6 Agua de mezcla

7 Agregados

8 Aditivos para el hormigón

9 Concreto fresco

10 Concreto endurecido (resistencia)

11 Cambios volumétricos del hormigón

12 Diseño de mezcla I

13 Transporte colocación y curado

14 Criterios de aceptación – rechazo (análisis estadístico)

15 Evaluación in-situ

16 Durabilidad del hormigón

19 Mampostería

20 Acero

21 Maderas

Bibliografía básica

• Materiales para Ingeniería Civil; José Gabriel Gómez, Universidad Nacional

• Concrete; Sydney Mindess, Francis Young. Prentice Hall

• Concrete Materials - Properties, Specifications and Testing; Sandor PopovicsTecnología del concreto y del mortero; Sanchez De Guzman Diego

• ICONTEC, Normas Técnicas Colombianas

• Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismorresistente

• Manual of Concrete Practice; American Concrete Institute (ACI)

• Design and Control of Concrete Mixtures. Portland Cement Association (PCA)

• Concrete Manual, ICBO

Prefijos métricos

• G Giga 109

• M Mega 106

• k Kilo 103

• m mili 10-3

• µ micro 10-6

• n nano 10-9

• p pico 10-12

• 2304000 kg = 2304 Mg

Unidades

• MKS SI (Metro kilogramo segundo ‘ SistemaInternacional SI).

• cgs (centímetro gramo segundo)

• Imperial/American (libra-fuerza y pie)

• MKS debería ser usado en la mayoría de loscasos

Propiedades mecánicas de los

materiales - Resistencia

• Resistencia a la compresión

• Resistencia a la tensión

• Resistencia al corte

• Modulo elástico

• Coeficiente de poisson

• Modulo de corte

Tensión y Compresión

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Propiedades térmicas de los

materiales

• Temperatura

• Energía

• Calor especifico

• Conductividad térmica

• Comportamiento ante el fuego

• Temperatura es la propiedad que normalmente se midetérmicamente.

0 oK=-273.12 oC 32oF = 0oC 212oF = 100oC

• La energía se mide en Julios. 1 Julio se define como laenergía requerida para desplazar una fuerza de 1 Newtonuna distancia de 1 metro.

• Potencia es la velocidad a la que realiza un trabajo

• La capacidad de calor especifico (Cp) es el numero de juliosrequeridos para incrementar la temperatura de 1 kg delmaterial un 1 oC

Cp has the units of Joules/(kg oC)

Masa C p

Energia = T - T = T

×∆ 12

Expansión térmica Daño de una cubierta por el fuego

Distribicion

Normal

• Diferentes materiales se usan en Ingeniería

Civil..

– Maderas - Guadua

Materiales de Construcción

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MamposteríaConcreto

Asfalto Acero

Aleaciones Metálicas

Níquel

Aluminio

Plásticos

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Materiales compuestos

Arena

Concreto

Cemento

GravaAgua

CEMENTOS

“Hay también una clase de polvo que por su propia naturalezaproduce efectos maravillosos ... Este polvo mezclado con cal ypiedra machacada incluso consolida las obras que se hacen bajoel mar ... Cuando estas tres cosas producidas por la violencia delfuego llegan a mezclarse, al recibir el agua, se consolidan tanintensamente, que no basta para separarlas o disolverlas ni lasolas ni la fuerza del agua.”

• Vitrubio. Diez Libros de Arquitectura – Libro II. Siglo I

En 1824 el Sr. Joseph Aspin patentó el Cemento Portland. Estenombre fue escogido debido a la similitud que existe entre una rocagris de la isla Portland, en Gran Bretaña, y el producto hidratado delnuevo Cemento Portland.

CEMENTO PORTLAND

NTC 31. CEMENTO. DEFINICIONES

“Material pulverizado que además de óxido de calcio contienesílice, álumina y óxido de hierro y que forma por adicion deuna cantidad apropiada de agua, una pasta conglomerantecapaz de endurecer tanto en el agua como en el aire. Seexcluyen las cales hidraúlicas, las cales aéreas y los yesos”

Definición tradicional

“Es el producto artificial resultante de calcinar hasta un principiode fusión mezclas rigurosamente homogéneas de caliza y arcilla,obteniéndose un cuerpo llamado clínker, constituido por silicatos yaluminatos anhidros, el cual hay que pulverizar junto con yeso, enproporción menor del 3 %, para retardar su fraguado.”

Orús Asso, F. en su libro “Materiales de Construcción”

• Desde los tiempos de Grecia y Roma y hasta mediados del siglo XVIIIse empleaba la cal como único conglomerante.

• Estos morteros que no eran hidráulicos han sido la base de laconstrucción hasta 1756, fecha que representa el descubrimiento yempleo del primer conglomerante hidráulico.

• VICAT, L.J. químico francés, comenzó en 1812, unas investigacionessobre las condiciones que daban origen a la hidraulicidad, publicando losresultados en 1818.

• JOHN, F.J., holandés, en 1819 llegó a las mismas conclusiones.

• ASPDIN (1824), obtuvo la patente en la que figuraba por primera vez lapalabra “Portland”.

Bosquejo histórico

Concreto y mortero Romano

Panteon en Roma

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FABRICACION DEL CEMENTO

• Dosificación de componentes

• Molienda conjunta

• Clinkerización

• Adición de regulador de fraguado

• Molienda conjunta

• Almacenamiento en silos

• Procesos de fabricación:

Vía húmeda:

Caliza y arcilla con agua

Vía seca:

Caliza y arcilla

CALCAL SILICESILICE ALUMINAALUMINA OXIDOS OXIDOS HIERROHIERRO

CalizaCaliza ArenaArena ArcillaArcilla Oxido Oxido hierrohierro

YesoYeso CuarzoCuarzo EsquistoEsquisto

MarlMarl EscoriaEscoria

Conchas Conchas de marde mar

Rocas Rocas cementocemento

MarmolMarmol

Materiales constituyentes del cemento

Planta de Cemento de Clarkdale, Arizona Una vez la caliza ha sido extraida y rota por voladura es

cargada mediante camiones hacia la zonas de trituracion primaria.

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Planta de Cementos Tequendama - Suesca

Hornos de 300 pies de longitud y 18

pies de diametro.

Interior de un horno de

clinkerización, recubierto con

unidades de mampostería refractaria especial.

Molino.

Clinkers de cemento son una roca dura y requieren de molienda para hacer cemento portland

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Las características y propiedades del cemento Portlandestán íntimamente ligadas a su composición química que sedetermina por análisis y viene expresada en forma deóxidos.

Cal combinada...........CaO................62.5 %Sílice.........................SiO2...............21.0 %Alúmina.....................Al2O3..............6.5 %Hierro.......................Fe2O3..............2.5 %Azufre........................SO3................2.0 %Magnesia...................MgO................2.0 %Pérdida al fuego.........P.F..................2.0 %Residuo Insoluble.......R.I...................1.0 %Alcalis.......................Na2O + K2O......0.5 %

Límites usuales de oxidos para difrentes materiales cementantes, elpunto A representa la escoria de alto horno y tiene 57% CaO+MgO, 32% SiO2, y 11% de Al2O3+Fe2O3

Evaporación del agua libre ...................100 a 200º C

Deshidratación de las arcillas............. 200º a 600º C

Cocción de la caliza aparece CaO........ 600º a 900º C

Se descompone la arcilla en óxidos y aparece:

SiO2 Al2O3 Fe2O3........................... 900º a 1100º C

Reacción entre la cal y la arcilla se forman lossilicatos y aluminatos cálcicos se produce la fusiónparcial de la mezcla “clinkerización”... 1100º a 1450ºa 1000º C

Enfriamiento muy rápido para evitar que lasreacciones se deshagan................... 1000º a 100º C

Clinkerización COMPONENTES DE LOS CEMENTOS

Clinkeres Portland

Son los productos que se obtienen al calcinar hasta fusión parcialmezclas muy intimas, preparadas artificialmente, de calizas yarcillas, hasta conseguir la combinación practicamente total desus componentes

Clinkeres Aluminosos

Son productos que se obtienen por fusion de una mezcla decalizas y bauxitas de composición y granulometria adecuadas paraconseguir un contenido mínimo de alúmina del 36%

Escorias Siderurgicas

Son granulados de alto horno, que se obtienen por templado oenfriado brusco, con agua o con aire, de la ganga fundidaprocedente de procesos siderúrgicos. Deben poseer carácterbásico e hidraulicidad latente o potencial, así como un contenidomínimo de fase vitrea

COMPONENTES DE LOS CEMENTOS

Puzolanas Naturales

Son principalmente rocas tobáceas, volcánicas vítreas, de naturalezaalcalina. Finamente divididas no posen ninguna propiedad hidráulica,pero contienen constituyentes (sílice y alúmina) capaces de fijar cal ala temperatura ambiente en presencia de agua formando compuestosde propiedades hidráulicas

Cenizas Volantes

Son los residuos sólidos que se recogen por precipitaciónelectrostática o por captación mecánica, de los polvos queacompañan a los gases de la combustión de los quemadores decentrales termoeléctricas alimentadas con carbón

Humo de Sílice

Es un subproducto de la obtención del silicio y del ferosilicio. Sereduce en horno eléctrico cuarzo muy puro y carbón, ercogiendose elhumo generado.

COMPONENTES DE LOS CEMENTOS

Fílleres calizos

Son compuestos principalmente de carbonato de calcio en formade calcita (> 85%) que molidos conjuntamente por el clinkerportland, en proporciones determinadas, afectan favorablementea las propiedades y comportamiento de los morteros y concretostanto frescos como endurecidos.

Reguladores de Fraguado

Son materiales naturales o productos artificiales que añadidos alos clinkeres portland y a otros constituyentes del cemento, enpequeñas proporciones, y molidos conjuntamente, proporcionancementos con un freguado adecuado. El regulador de fraguadomás usual es el sulfato cálcico en alguna de sus variedades, o enmezcla de ellas.

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Compuestos que se producen en laclinkerización

� 3CaO·SiO2– C3S –Silicato tricálcico – ALITA

� Aporta resistencia inicial

� 2CaO·SiO2– C2S –Silicato bicálcico – BELITA

� Aporta resistencia a largo plazo

� 3CaO·Al2O3 – C3A –Aluminato tricálcico – FELITA

� Actúa como catalizador

� 4CaO·Fe2O3·Al2O3– C4FA –Ferroaluminato tetracálcico – CELITA

� En la cocción reduce la temperatura de fusión

Composición estimada de los contenidos de un clínker Portland de tipo medio:

� Silicato tricálcico......................(SC3) 40-50%

� Silicato bicálcico......................(SC2) 20-30%

� Aluminato tricálcico.................(AC3) 10-15%

� Ferroaluminato tetracálcico..(AFC4) 5-10%

����Silicato tricálcico (SC3)�Es el compuesto activo por excelencia del clínker, porque desarrolla unaresistencia inicial elevada, siendo su calor de hidratación igualmenteelevado (≅120 cal/g). Su fraguado es lento y su endurecimiento bastanterápido. Por ello, aparece en gran proporción en los cementos deendurecimiento rápido y en los de altas resistencias iniciales.

§ Debe limitarse el contenido de SC3, en los cementos para obras degrandes masas de hormigón, no debiendo rebasarse un 35 %, con objetode evitar valores elevados del calor de hidratación. Para tales casos, sepreferirán contenidos altos en silicato bicálcico, a costa del tricálcico.

����Silicato bicálcico (SC2):

§ Es el componente que comunica al cemento su resistencia a largoplazo, al ser lento su fraguado y muy lento su endurecimiento. Su calorde hidratación es el más bajo de los cuatro (≅60 cal/g) y su estabilidadquímica es mayor que la del silicato tricálcico. Por ello, los cementos conalto contenido en silicato bicálcico son más resistentes a los sulfatos quelos de bajo contenido.

§ Suministra al cemento uncalor de hidratación muy grande(≅207 cal/g), elevadísimavelocidad de fraguado y granretracción, por lo que es elcompuesto que gobierna lasresistencias a corto plazo. Suestabilidad química es buenafrente a ciertas aguas agresivas(de mar, p.ej.) y muy débil frentea los sulfatos.

����Aluminato tricálcico (AC3):

§ Precisamente con objeto de frenar larápida reacción del aluminato tricálcico con elagua y regular el tiempo de fraguado delcemento, se añade al clínker un sulfato –piedra de yeso (CaSO4)- generalmente

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����Aluminoferrito tetracálcico (FAC4):

§ No participa prácticamente en las resistencias mecánicas y supresencia se debe a la necesidad de utilizar fundentes que contienenhierro en la fabricación del clínker. Tiene un calor de hidratación pequeño(≅100 cal/g) y gran velocidad de fraguado. Su resistencia a las aguasselenitosas y agresivos en general es la más alta de todos losconstituyentes.

§ Su color oscuro le hace prohibitivo para los cementos blancos por loque en este caso se utilizan otros fundentes en la fabricación.

Proporciones de los productos obtenidos

Alita: C3S - Belita: C2S – Felita: C4FA - Celita: C3A

Calor de Hidratación

�Importancia de la molienda final:

� Es importante la finura de molido – A más finura de molido:

§ Más velocidad de fraguado

§ Más calor de hidratación

§ Más necesidad de agua para fraguar

§ Más retracción

§ Pasta más dócil

Hidratación del Cemento

Introducción

Concreto de Cemento Portland

Fase Continua solida : matriz cementicia

•Efectos del comportamiento del cemento

Durabilidad, Permeabilidad

Resistencia

Fase conformada por particulas: agregados

•Grueso: #4 to 1½”

•Fino: #100 to #4

•Agregados tienen un efecto sobre el

comportamiento del concreto

Sirve como llenante

Incrementa el modulo de elasticidad

Fase Cementicia

•Cemento Portland

•Agua

•Aditivos y adiciones

Liquidos

Minerales

}Trabajabilidad

&

Resistencia

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FRAGUADO E HIDRATACION DEL CEMENTO PORTLAND

FRAGUADO: es el cambio en las propiedades reológicas delcemento, que consiste en la pérdida de las propiedades plásticas yun aumento progresivo de la consistencia, que resulta de laformación de los productos de la hidratación.

• Hipótesis de la Cristalización. Le Chatelier 1887.• Hipótesis del gel. Michaelia 1893

1. Al mezclar el cemento y el agua, se produce una dispersiónque produce rápidamente una capa superficial de productos dehidratación sobre cada grano.

2. Los productos de la hidratación ocupan un espacio mayor, enparte a los granos y en parte al líquido.

3. Las capas de los productos de hidratación se extienden ycomienzan a tocarse, originando un gel en los espaciosintergranulares.

4. Al progresar la reacción, las partículas que hay enre los granosde clinker aumentan y se van cristalizando hasta que elmaterial se convierte en una masa densa y compacta.

La velocidad con la cual las distintas fases del cemento reaccionancon el agua es la siguiente:

C3A > C3S > C4AF > C2S

La reactividad de los cementos puede ser muy diferente así sean cementos muy similares. Esto debido a:

• Historia “Termica” del clinker(temperatura maxima, vel de enfriamento)• Empleo de fundentes y de mineralizadores• Atmosfera del horno• Finura del cemento• Temperatura de hidratación• Composición • Uso de aditivos• .........

Cantidades aproximadas devarias formas de agua enuna pasta de cemento bienhidratada [Duriez 1961]

Los silicatos cálcicos (alita y belita) en su hidratación producenCa(OH) (CH) hidróxido de calcio, compuesto cristalinodenominado portlandita y el gel C-S-H silicato de calciohidratado (gel de Tobermorita), que es el producto que confiere alcemento sus caractrísticas resistentes y durables.

El C-S-H es amorfo y de composición variable, tiene una superficie específica de 3´000.000 cm2/g; mientras el CH es cristalino y de composición fija.

HIDRATACION DE LOS SILICATOS

Cem.anhidro

Agua de poros

C-S-H

CH

Gel C-S-H

HIDRATACION DE LOS COMPONENTES DEL CEMENTO

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HIDRATACION DE LOS COMPONENTES DEL CEMENTO

Silicatos:

C3S + HC3S + H �� CC--SS--H + CHH + CH

(61%) (31%)(61%) (31%)

C2S + HC2S + H �� CC--SS--H + CHH + CH

(82%) (18%)(82%) (18%)

HIDRATACION DE LOS COMPONENTES DEL CEMENTO

3CaO.AL3CaO.AL22OO33 + 12 H+ 12 H22O +Ca(OH)O +Ca(OH)22 �� 3CaO.Al3CaO.Al22OO33.Ca(OH).Ca(OH)22.12H.12H22OO

CC33AA AguaAgua HidroxidoHidroxido dede.. calciocalcio

Aluminato tricalcico Aluminato tricalcico hidratadohidratado

3CaO.Al3CaO.Al22OO33 + 10H+ 10H22O + CaO + Ca44SOSO44.2H.2H22OO 3CaO.Al3CaO.Al22OO33CaSOCaSO44.12H.12H22OO

CC33AA AguaAgua yesoyeso Sulfoaluminato de calcioSulfoaluminato de calcio

“ettringita”“ettringita”

Aluminato tricalcico:

C3A + H2O ⇒ reacciona muy rápido

C3A + H2O + CSH2 ⇒ reacciona más lentamente

Pasta de cemento hidratada etringita

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Ferrite Phase: C4AF

•Reacciona de forma similar al C3A pero en menor escala

C4AF + 2CH + 14H ⇒ C4(A,F)H13 + (A,F)H3

Celita + Hidroxido de calcio + Agua

⇒ Tetracalcio hidratado + Hidroxido Ferroaluminto

Pasta de cemento hidratada A/C=0.55; A=CH, B=CSH, C=etringita

RESUMEN HIDRATACION DE LOS COMPONENTES DEL CEMENTO

RESISTENCIA SEGÚN LOS

COMPONENTES

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Modelos del CSH

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TIPOS DE CEMENTOS ASTMTIPOTIPO CARACTERISTICA PRINCIPALCARACTERISTICA PRINCIPAL CARACTERISTICAS COMPUESTOSCARACTERISTICAS COMPUESTOS

II NormalNormal Contenido de compuestos en Contenido de compuestos en cantidad “Normal”cantidad “Normal”

IIII Moderado calor de hidrataciónModerado calor de hidratación Bajo contenido de C3A y alto de Bajo contenido de C3A y alto de C4AF y C2SC4AF y C2S

IIIIII Alta resistencia inicialAlta resistencia inicial Alto contenido de C3S y bajo C2SAlto contenido de C3S y bajo C2S

IVIV Bajo calor de hidrataciónBajo calor de hidratación Bajo contenido de C3A y alto de Bajo contenido de C3A y alto de C4AF y C2SC4AF y C2S

VV Resistente a sulfatosResistente a sulfatos Bajo contenido de C3ABajo contenido de C3A

% % Tipo ITipo I Tipo IITipo II Tipo IIITipo III Tipo VITipo VI Tipo VTipo V

CC33SS 4848 4040 6262 2525 3838

CC22SS 2727 3535 1313 5050 3737

CC33AA 1212 55 99 55 44

CC44AFAF 88 1313 88 1212 99

TIPOS DE CEMENTOS (Europa)

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PROPIEDADES FISICAS DE LOS CEMENTOS

FINURA: se da en términos de superficie específica expresada comoarea total en centimetros cuadrados por gramo de cemento. De elladepende la velocidad de hidratación, la tasa de endurecimiento, laganacia de resistencia y el desprendimineto de calor.

Se determina mediante los siguientes ensayos:

• NTC 33 “Método para detreminar la finura del cemento por medio del aparato Blaine de permeabilidad al aire”• NTC 597 “Finura del cemento Portland método del Turbidímetro”• NTC 294 “Finura sobre el tamiz No 325 Icontec 44µ ”• NTC 226 “Finura sobre el tamiz No 200 y No 100”

Aparato Blaine

Turbidímetro Wagner

0.01 0.1 1 10 100 1000

Particle Size (µm)

0

1

2

3

4

5

6

Vol

ume

(%)

PESO ESPECIFICO (Densidad): Se refiere a la densidad de una muestra de cemento expresada como la relación entre la masa y el volumen, asumiendo una porosidad igual a cero.

NTC 221 “ Método de ensayo para determinar el peso específico del cemento hidráulico”

Picnómetro de Helio

Densidad aparente

CALOR DE HIDRATACION:

NTC 117 “Método para determinar el calor de hidratación del cemento portland”

Calorímetro

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CONSISTENCIA: establece la cantidad de agua que es necesario suministarr a la pasta para obtener una viscocidad determinada, expresada como % en peso del cemento seco.

NTC 110 “Metodo para determinar la consistencia normal del cemento (aparato de vicat)”

EXPANSION EN AUTOCLAVE: pretende determinar la estabilidaddel volúmen de muestras de pastas de cemento puro, al ser sometidasa tratamientos en autoclave.

NTC 107 “Ensayo en autoclave para determinar la expansión delcemento”

FALSO FRAGUADO:

NTC 297 “Falso fraguado del cemento Portland método de la Pasta”

TIEMPOS DE FRAGUADO: Se refiere a un tiempo normalizado desde el inicio de los procesos de fraguado hasta el final de los mismos definidos cuando la pasta obtiene una resistencia y un endurecimiento.

NTC 118 “ Método para determinar el tiempo de fraguado del cemento hidraulico mediante el aparato de Vicat”.

NTC 109. “Metodo para determinar los tiempos de fraguado del cemento hidraulico por medio de las agujas de gillmore”

dete

Fraguado y endurecimiento del cemento

Influencia de la relación A/C enLos tiempos de fraguado

Influencia de la finura del cemento en los tiempos de fraguado

Influencia de la temperatura en el inicio del fraguado

Aparato de Vicat

Agujas de Guillmore

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PERDIDA AL FUEGO:

FLUIDEZ DEL MORTERO:

NTC 111 “Método para determinar la fluidez de morteros de cemento (mesa de flujo)”

RESISTENCIA A LA COMPRESION:

NTC 220 “Determinación de laresistencia de morteros de cementohidráulico usando cubos de 50 mm delado”

RESISTENCIA A LA TENSION:

NTC 119 “Método para determinar la resistencia a la tensión de morteros de cemento hidráulico ”

RESISTENCIA A LA FLEXION:

NTC 120 “Método para determinar la resistencia a la flexión de morteros de cemento hidráulico ”

RESISTENCIA A LA COMPRESION:

NTC 220 “Determinación de laresistencia de morteros de cementohidráulico usando cubos de 50 mm delado”

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Como sería el mundo sin el concreto?

* Impacto – costo ambiental del cemento Pórtland

* Costo económico de la producción del cemento Pórtland

* Costo económico necesario para rehabilitar la infraestructura de concreto

Efectos del cemento Portland

Impacto ambiental del cemento Pórtland

• La producción anual de cemento a nivel mundial es cercana a 2 billones de toneladas

– Entre el 5% - 8% del CO2 producido mundialmente proviene del cemento

Consumo de energía para la produccióndel cemento

La producción de 1 tonelada de CP genera:Un alto gasto de energía

(consumo de 180 - 320 kwh)

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Durabilidad de concreto Pórtland

ADICIONMateriales que son incorporados al cemento o al concreto, en diferentesporcentajes, con el fin de mejorar sus propiedades.

VENTAJAS• Mejores propiedades:

- Mayor durabilidad.- Menor calor de hidratación.- Mayores resistencias.

� Ahorro de energía no renovable

� Protección del medio ambiente - Reducción de la emisión de CO2, SO2, NOx. -Uso de subproductos industriales.

ICONTEC, Cemento Portlant Adicionado.

“Producto que se obtiene de lapulverización conjunta del clinker Portland yotros materiales arcillosos, calcáreos, sílico-aluminosos, calcinados o no, que poseenpropiedades hidráulicas o puzolánicas”

Las Puzolanas son materialesinorgánicos, tanto NATURALES comoARTIFICIALES, que endurecen en aguacuando son mezclados con hidróxido decalcio Ca(OH)2 o con materiales queproduzcan hidróxido de calcio (como elclinker de cemento Portland)

El Panteón en Roma fue construido porel emperador Adrián 1800 años antes deJesucristo, usando muros de piedratallada y pegados con “Concreto

Romano” fabricado con cal y suelosimportados de Pozzuoli, Italia

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CLASIFICACIÓN DE LAS ADICIONES

PuzolanasSe clasifican de acuerdo a su origen, Las naturales norequieren tratamiento aparte de la molienda; Mientras que lasartificiales son el resultado de algún tratamiento industrial

Naturales:- Cenizas volcánicas- Tobas volcánicas (zeolitas)- Tierras de diatomeas (diatomitas)

Artificiales:-- Microsílice, humo de silice (silicafume)- Arcillas activadas térmicamente- Cenizas de cáscara de arroz- Cenizas volantes (Fly Ash)

Escoria de Alto HornoFiller

Características de las adiciones activas

•Altos contenidos de silicatos o aluminatos

•En algún momento han sufrido algún tratamientotérmico

•El proceso de enfriamiento ha sido rápido yrepentino – en este proceso se formaroncomponentes amorfos (vítreos)

•El tamaño de grano es muy pequeño (polvos)

Material de silicio o Alumino-silicio, que por si mismo no posee propiedades

cementicias, pero que finamente dividido forma en presencia de humedad reacciones

quimicas con el hidroxido de calcio en temperaturas ordinarias para formar

compuestos con propiedaes cementicias.

-- ACI 116R

QUE ES UNA PUZOLANA? Puzolanas Naturales:

•Cenizas volcánicas:Se forman por erupciones de carácter explosivo, en

pequeñas partículas que son templadas a temperatura ambiente,originando la formación del estado vítreo.•Tufos o tobas volcánicas (zeolitas):

Producto de la acción hidrotermal sobre las cenizasvolcánicas y de su posterior cementación diagenética.•Tierras de diatomeas (diatomitas):

Puzolanas de origen orgánico. Depósitos de caparazonessilíceos de microscópicas algas acuáticas unicelulares(diatomeas).

La composición química de las puzolanas naturales puede oscilarentre los siguientes márgenes:

SiO2 = 45-60% Al2O3 + Fe2O3 = 15-30%CaO + MgO + alcalis = 15% Pérdida al fuego = 10%

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•Microsílice (silica fume):Subproducto de la obtención del silicio y del ferrosilicio medianteLa reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en hornos dearco eléctrico. El humo generado, se recoge mediante filtradoelectroestático. El material es extremadamente fino es colectadopor filtración de los gases de escape del horno, en filtros demangas.Tamaño de partículas (entre 10 y 100 veces más pequeñas quelas partículas de cemento).

HUMO DE SILICE ...

“Muy fina sílice no cristalina (amorfa)producida en hornos de arco eléctricocomo un subproducto de laelaboración de elementos de sílice oaleaciones de sílice; se conocecomercialmente como mirosílice”

--ACI 116R

Problemas producto del humo de sílice

“ El comité no tiene conocimiento de problemas a la salud asociados con

el uso de humo de sílice en el concreto”

--ACI 234R

Producción del Humo de Sílice Producción del Humo de Sílice

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Cuarzo y carbón

Trozos de madera

Grava (cuarzo)

• Polvo extremadamente fino• Difícil de manipular manualmente• Tiende a aglomerarse y a crear grumos• Se compacta muy fácilmente bajo cargas muy bajas

Humo de sílice sin tratamiento

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• Se dispersa en agua: 50 - 52% de sólidos• Se puede almacenar en tanques pero requiere agitación periódica• Es fácil de transportar

Humo de sílice Slurry

• Presenta un proceso de aglomeración reversible• Fluye bien para ser bombeado• El transporte es económico

Humo de sílice densificado

Premium -- Blanco Standard -- Gris

Colores del Humo de SíliceComo trabaja el humo de sílice dentro del concreto?

� Efecto físico

� Efecto químico

Zona de transición

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Reacción: Humo de sílice / Ca(OH)2

Fly Ash + Ca(OH)2 = Gel CSH + …..

PRINCIPALES VENTAJAS DEL HUMO DE SILICE, MICROSILICA O

SILCA – FUME

• Aumento de la resistencia a compresión incluso desde edades tempranas.

• Menor permeabilidad debido a un menor volumen de capilares.

• Menor tendencia a la exudación por menor volumen de capilares.

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EFECTOS DE LA MICROSILICA SOBRE PROPIEDADES DEL HORMIGON

• Mayor demanda de agua, por su gran finura.

• Disminuye notablemente la manejabilidad.

• Hormigón más cohesivo, menor tendencia a la segregación. En dosis alta, material seco.

• Menor exudación al existir poca agua libre

• Tiempo de mezclado mayor.

• Mayores resistencias aún a edades bajas.

• La retracción de secado es menor pero la retracción plástica, parece ser mayor.

• Aumenta drásticamente la impermeabilidad, por tanto es mucho mayor la durabilidad.

DESVENTAJAS DEL HUMO DE SILICE

• Disminuye de manera importante la manejabilidad de las mezclas.

• Existen indicios que la ganancia de resistencia a tracción, flexión y módulo de elasticidad no es tan alta como la compresión.

• Requieren un curado mucho más cuidadoso.

• Algunos investigadores han reportado “retrogresión” (disminución con el tiempo) de resistencias.

OBRAS IMPORTANTES CONSTRUIDAS CON CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA.

Bank of China Tower.

HONG KONG. Chicago Mercantile Exchange.Chicago.

Water Tower Place.

Chicago.Arche de la Défense - París

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Plataforma Gullfaks.

Mar del Norte.

Puente de Helgelandsbrua. Noruega - 1990. Luz máx. : 425 m. ; fc = 65 Mpa.

Torres Petronas en Kuala Lumpur, se utilizó CAD de 80 Mpa.

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Índice de actividad puzolánica con cemento Pórtland = A/B x 100

A = Resistencia a compresión de los cubos del mortero de ensayo (puzolana y cemento).

B = Resistencia a la compresión de los cubos del mortero patrón (cemento).

ÍNDICE DE ACTIVIDAD PUZOLÁNICA CONCEMENTO PORTLAND

Características – Humo de sílice, ceniza volante y Cemento

Características – Humo de sílice, ceniza volante y Cemento

SilicaSilica FumeFume Ceniza volanteCeniza volante CementoCemento

SiO2 Contenido 8585-- 9797 35 35 -- 4848 20 20 --2525

Area especifica m2/kg 17,000 17,000 -- 30,00030,000 400 400 -- 700700 300 300 --500500

Actividad puzolanica(con cemento, %) 120 120 -- 210210 85 85 -- 110110 n/an/a

Tamaño Tamaño µµµµµµµµmm 0.1 0.1 –– 0.30.3 5 5 --2020

Densidad kg/mDensidad kg/m33 130 130 –– 430430 540 540 –– 860860 31003100

Fly Ash 1,000X Silica-Fume 20,000X

Granulometría Arcillas activadas térmicamente: Metacaolín

Las arcillas naturales no presentan actividadpuzolánica a menos que su estructuracristalina sea destruida mediante untratamiento térmico a temperaturas del ordende 600 a 900 °C.

Reacciona con el cemento Pórtland,especialmente e hidróxido de calcio y produceproductos similares a los silicatos cálcicoshidratados, ademas de aluminatos ysilicoaluminatos.

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Cenizas de cáscara de arroz:

Producida por la calcinación controlada de la cáscara de arroz.

Consiste básicamente de:

- Sílice amorfa (>90 %)

- Estructura celular de gran área superficial (50 a 60 m2/g)

- Posee gran actividad puzolánica.

Composición química de la Cascarilla de arroz dependiendo de la temperatura de calcinación

Caracterización cascarilla de arroz como adición al cemento

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Planta térmica paraobtener energía a partirde la cascarilla de arroz

Material compuesto formado a partir de cascarilla de arroz y un conglomerante

•Cenizas volantes (fly ash):

Subproducto de centrales termoeléctricas que utilizan carbónpulverizado como combustible. Son los residuos sólidos que serecogen por captación mecánica, de los polvos que acompañan losgases de la combustión de las centrales termoeléctricas

Puzolanas Artificiales:

NTC 3493. Cenizas volantes y puzolanas naturales, calcinadas o crudas,utilizadas como aditivos minerales en el concreto de cemento portland

La Norma ASTM C 618 define dos clases de cenizas volantes:

Clase F: Producidas por la calcinación de carbón antracítico obituminoso. Cenizas que poseen propiedades puzolánicas.

Clase C: Producidas por la calcinación de carbón sub-bituminoso olignito. Esta clase de cenizas, además de tener propiedades puzolánicas,también tienen propiedades cementicias.

Clase F Clase F Clase C Clase C

bajo-Fe bajo-Fe bajo-Ca alto-Ca

SiO2 46-57 42-54 25-42 46-59

Al2O3 18-29 16.5-24 15-21 14-22

Fe2O3 6-16 16-24 5-10 5-13

CaO 1.8-5.5 1.3-3.8 17-32 8-16

MgO 0.7-2.1 0.3-1.2 4-12.5 3.2-4.9

K2O 1.9-2.8 2.1-2.7 0.3-1.6 0.6-1.1

Na2O 0.2-1.1 0.2-0.9 0.8-6.0 1.3-4.2

SO3 0.4-2.9 0.5-1.8 0.4-5.0 0.4-2.5

LOI 0.6-4.8 1.2-5.0 0.1-1.0 0.1-2.3

TiO2 1-2 1-1.5 <1 <1

Reacciones Químicas

C3S + C2S + C3A + C4AF + H2O =Gel CSH + Ca(OH)2 + Otros compuestos

Cemento/Reacción con el agua

Reacción: Ceniza Volante/Ca(OH)2

Fly Ash + Ca(OH)2 = Gel CSH + …..

Efectos de la ceniza volante sobre el concreto fresco

• Disminuye los requerimientos de agua

• Produce una mayor cantidad de aire atrapado

• Incrementa durabilidad

• Disminuye segregación

• Disminuye calor de hidratación

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Efectos de la ceniza volante sobre el concreto endurecido

• Incrementa la resistencia después de los 7 y 14 días

• Reduce la permeabilidad

• Incrementa la resistencia a los sulfatos

• Resistencia RAA (Únicamente Clase F)

Cenizas volantes

Escoria granulada de alto horno

Es un subproducto de la fabricación del hierro yposee una composición química parecida alclinker portland.

Cuando se la granula, mediante el enfriamientoviolento con ayuda de agua inyectada a presióno combinando aire + agua, sus mineralescomponentes permanecen en un estado vítreo(no cristalino) que le confiere una hidraulicidadlatente.

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Grano de escoria visto con el microscopio electrónico de barrido, a 20 aumentos

No hay que confundir con la escoria enfriada alaire que, al ser enfriada en forma lenta,presenta un ordenamiento de cristales propiodel estado sólido por lo cual no tienepropiedades hidráulicas y suele utilizarse comoagregado

0

2000

4000

6000

8000

10000

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Inte

ns

ity [

Co

un

ts]

2θθθθ

GGBS

12

1. Ca3Mg(Si2O8) - Merwinite

2. CaCO3 - Calcita

3. Melilite

3

Particle Size Distribution

0.01 0.1 1 10 100 1000

Particle Size (µm)

0

1

2

3

4

5

Vol

ume

(%)

Chemical constituents

Range of composition %

by mass

SiO2 32-42Al2O3 7-16CaO 32-45MgO 5-15

S 0.7-2.2Fe2O3 0.1-1.5MnO 0.2-1.0

(ACI-233, 2003)

En el caso de la hidratación de la escoria granulada de alto horno, elagente catalizador es el ambiente alcalino.

Hydration model for mix OPC-GGBS

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Difractograma de una muestra de 100% OPC y de una muestra 60% GGBS+ 40% OPC

10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 502θθθθ

OPC

E

CH

E/CC

CH

CC

C3

CH

C2

C3

CH

3 d

28 d

90 d

ECC

10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 502θθθθ

OG

E

CH

E/CC

C2

C3CH

CC

C3

CH

CHE CC

• Ventajas– Subproducto industrial de la industria del hierro– No requiere energía adicional– Tiene propiedades cementicias similares al CP

• Desventajas– La hidratación en mucho más lenta que el CP

• Retardos en los tiempos de fraguado y ganancia de resistencia

• Retardos en los procesos constructivos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

GGBS percentage by weigth [%]

Str

eng

th [M

Pa]

7 Days

28 Days

90 days

Compressive strength of OPC-GGBS

Figure 2.4 Comparison of pore size distribution (Roy and Parker, 1983)

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Diffusion coefficients from ponding test and non-steady state(ACTM) test (Yang and Wang, 2004)

Chloride difusion coeficient for different amounts ofGGBS replacement (Leng et al., 2000)

Ensayo rápido de permeabilidad a los cloruros (RCPT)(Rapid Chloride Permeability Test)

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Carga Transmitida

(Coulombs)

Permeabilidad al

ión Cloruro> 4.000 Alto

2.000 - 4.000 Moderado1.000 - 2.000 Bajo100 - 1.000 Muy Bajo

< 1.000 Insignificante

Efecto sobre la permeabilidad

Calor de Hidratación