TECNOLOGÍA DEL CONCRETO
1.-Introducción
“ La práctica sin la ciencia, es como un barco sin timón” Leonardo Da Vinci.
El concreto es un material que debe dominar casi a diario el profesional de la construcción.En muchos casos el cálculo y diseño estructural pierde su eficacia y trascendencia, cuando en las obras se suman los errores y deficiencias por desconocimiento de los conceptos que gobiernan la tecnología del concreto como producto final.
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2.-Historia
La historia del concreto constituye un capítulo fundamental de la historia de la construcción. Cuando el hombre optó por levantar edificaciones utilizando materiales arcillosos o pétreos, surgió la necesidad de obtener pastas o morteros que permitieran unir dichos elementos para poder conformar estructuras estables. Inicialmente se emplearon pastas elaboradas con arcilla, yeso o cal, pero se deterioraban rápidamente ante las inclemencias atmosféricas.
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Se idearon diversas soluciones, mezclando agua con rocas y minerales triturados, para conseguir pastas que no se degradasen fácilmente. Así, en el Antiguo Egipto se utilizaron diversas pastas obtenidas con mezclas de yesos y calizas disueltas en agua, para poder unir sólidamente los elementos de piedra; como las que aún perduran entre los bloques calizos del revestimiento de la Gran Pirámide de Guiza.
Egipto
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En la Antigua Grecia, hacia el 500 a.c., se mezclaban compuestos de caliza calcinada con agua y arena, añadiendo piedras trituradas, tejas rotas o ladrillos, dando origen al primer hormigón de la historia, usando tobas volcánicas extraídas de la isla de Santorini. Los Antiguos Romanos emplearon tierras o cenizas volcánicas, conocidas también como puzolana, que contienen sílice y alúmina, que al combinarse químicamente con la cal daban como resultado el denominado cemento puzolánico (obtenido en Pozzuoli, cerca del Vesubio).
Grecia
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Jerásh es una de las diez ciudades romanas que formaron la confederación conocida como “Decápolis”; cuatro de las ciudades se encuentran en Jordania (Amman, Pella, Um-Qays y Jerásh). Tal vez Jerásh sea una de las mejor conservadas.
Roma
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Con este material se construyeron desde tuberías a instalaciones portuarias, cuyos restos aún perduran. Destacan construcciones como los diversos arcos del Coliseo Romano,
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Los Romanos utilizaron muchas técnicas innovadoras para manejar el peso del concreto. Para aligerar el peso de estructuras enormes, encajonaron a menudo tarros de barro vacíos en las paredes. También utilizaron barras de metal como refuerzos en el concreto cuando fueron construidos techos estrechos sobre callejones.
La cúpula del Panteón de Agripa, de unos 43 metros de diámetro, la de mayor luz durante siglos.
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• 1774John Smeaton, uno de los grandes ingenieros del siglo dieciocho, logró un triunfo al construir el faro de Eddystone en Inglaterra. Los faros anteriores en este punto habían sido destruidos por las tormentas y el sitio estaba expuesto a la extrema fuerza del mar. Pero Smeaton utilizó un sistema en la construcción de su cantería que la limita junta en un todo extremadamente tenaz. Él bloqueó las piedras unas en otras y para las fundaciones y el material de junta utilizó una mezcla de la cal viva, arcilla, arena y escoria de hierro machacada – concreto, eso es. Esto ocurrió en 1774... y es el primer uso del concreto desde el período romano.
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• 1824 Joseph Apsdin, constructor inglés, patenta un proceso de calcinación de la caliza arcillosa que producía un cemento que al hidratarse adquiría, según él, la misma resistencia que la piedra de la isla de Portland, es decir, una Innovación en el Modo de Producir una Piedra Artificial, la cual el designó con el término "Cemento Portland".
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•1825
.
Primero llamado "La zanja de Clinton", el canal de Erie se abrió en 1825. Fue un instrumento en la apertura de la expansión a través de la región de Los Grandes Lagos. Su éxito comercial fue atribuido a menudo al hecho de que el coste de mantenimiento de los pasos de concreto era muy bajo. El volumen del concreto usado en su construcción le hizo el proyecto de construcción de concreto más grande de sus días.
• 1825El primer concreto moderno producido en América se utiliza en la construcción del canal de Erie. Se utilizó el cemento hecho de la "cal hidráulica“ encontrada en los condados de Madison en Nueva York.
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•1908
Thomas Edison creyó que el concreto era el material que revolucionaría los hogares. Él quería que el trabajador promedio pudiera vivir en casas finas, que el concreto haría rentable. Este modelo adornado era similar a los 11 hogares que él construyó. Usando concreto y formas avanzados, cada hogar era vertido de piso a techo en un día.
• 1908Thomas Alva Edison construyó 11 hogares de concreto moldeados en sitio en Unión, Nueva Jersey. Esos hogares aún siguen siendo utilizados. Él también puso la primera milla del camino en concreto cerca de New Village, Nueva Jersey.
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•1914
El Canal tomó más de 30 años para terminarse a un costo de $347 millones. Los desafíos de ingeniería encontrados fueron enormes. Las condiciones geológicas difíciles, la obtención de las materias primas necesarias y mano de obra, más la enorme escala del equipo requirieron la innovación ilimitada. Las formas de acero para las superficies interiores de las exclusas fueron 80 pies de alto y 36 pies de ancho.
• 1914El Canal de Panamá fue abierto después de décadas de construcción. Ofrece tres pares de exclusas de concreto con suelos tan gruesos como 20 pies y las paredes tan gruesas como 60 pies en el fondo.
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Una historia escocesa
Entre los puertos de Grangemouth y Falkirk fue excavado en 1777 el Canal Forth & Clyde, Glasgow,
que conecta a la costa este de Escocia.
Más tarde, en 1822, se completó el canal de unión entre Falkirk y Edimburgo.
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•1921
Los hangares extensos de los dirigibles de Eugene Freyssinet (comenzados en 1916) fueron construidos de costillas parabólicas pretensadas. La forma permitió la más grande y posible fuerza estructural para el enorme volumen necesario para contener los dirigibles. La naturaleza incombustible del concreto fue el factor principal que convenció al equipo de Orly a que aprobara el diseño altamente inusual.
• 1921Los vastos y parabólicos hangares de dirigibles en el aeropuerto de Orly en París fueron terminados.
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•1973
La distribución internacional de los productos de Symons comienza.La línea dramática de la azotea en la Casa de Ópera en Sydney es una perdurable Imagen de Sydney, Australia. Las múltiples áreas de presentaciones dentro de los picos son reconocidas por sus exquisitas calidades acústicas.
• 1973Se inaugura la casa de ópera en Sydney, Australia. Sus distintivos picos de concreto se convirtieron rápidamente en un símbolo para la ciudad.
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El concreto translúcido es un concreto polimérico diseñado bajo patente Mexicana, que incluye cemento, agregados y aditivos. Permite el paso de la luz y desarrolla características mecánicas superiores a las del concreto tradicional. Este producto permite levantar paredes casi transparentes, más resistentes y menos pesadas que el concreto tradicional.
En la actualidad
La estructura de este hormigón permite hasta un 70% el paso de la luz, haciéndolo ideal para el ahorro de luz eléctrica y el uso de materiales de acabado como yeso y pintura logrando así una disminución en las emisiones de gases de efecto invernadero.
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Las cualidades del concreto translúcido son poder introducir objetos, luminarias e imágenes ya que tiene la virtud de ser translúcido hasta los dos metros de grosor, sin distorsión evidente; alcanzar una resistencia de hasta 450 kg/cm2; al mezclarse se sustituye la grava y la arena por resinas y fibras; y ofrecer una consistencia impermeable junto con una mayor resistencia al fuego.El hormigón traslúcido representa un avance en la construcción de plataformas marinas, presas, escolleras y taludes en zonas costeras, ya que bajo el agua sus componentes no se deterioran y es 30 por ciento más liviano que el concreto convencional. Su fabricación es igual a la del concreto común. Para ello se emplea cemento blanco, agregados finos, agregados gruesos, fibras, agua y el aditivo cuya fórmula es secreta, llamado “Ilum”. Actualmente el cemento translúcido se comercializa en dos formas: prefabricado y el aditivo Ilum.2
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Los primeros antecedentes del empleo de materiales aglomerantes o cementantes en el Perú datan del siglo XVI en la Colonia.
El concreto rudimentario de aquella época empleaba el calicanto ( mezcla de cal y arena) como aglomerante con inclusión de piedras de diversos tamaños en lo que sería una especie de concreto ciclópeo actual.
La tecnología del concreto en el Perú
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Cuenta la tradición limeña que el puentes de piedra sobre el rio Rímac iniciado en el año 1608, concluido en 1610, se edificó agregando al mortero del cal y arena huevos frescos en gran cantidad para mejorar sus propiedades resistentes, en lo que constituiría uno de los intentos más precoces y pintorescos en el empleo de “aditivos” en el país.
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El Puente de Piedra o Puente Trujillo es un puente ubicado en el centro histórico de Lima, capital del Perú que cruza el río Rímac uniendo el cercado de Lima con el distrito del Rímac. Es el inicio del Jirón de la Unión que fuera en los primeros años de la república, la vía más importante de la ciudad.
Construido en 1610 por el Virrey Juan de Mendoza y Luna, Marqués de Montesclaros, ante la progresiva urbanización del barrio de "abajo el puente" (actual distrito del Rímac) fue uno de los primeros puentes construidos sobre el Río Rímac.
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En 1875: El Hospital Dos de Mayo, está ubicado en el Cercado de Lima. La construcción de este hospital fue acordada por la sociedad de beneficencia pública a raíz de los estragos que produjo la epidemia de la fiebre amarilla que apareció en Lima entre marzo y julio de 1868. Fue considerado en la época de su fundación el mejor hospital de América del Sur.
Consta de un área construida de 26,500.00m2, las edificaciones nuevas son edificaciones de pórticos de concreto armado compuesto de columnas y vigas y muros de albañilería, todavía existen pabellones de la época, de material de abobe donde funcionan otras salas de hospitalización.
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La idea de esta construcción surgió en los tiempos en que Augusto Leguía gobernaba el territorio. Ahora bien, aunque este presidente comenzó a erigir esta edificación, nunca llegó a terminarla, ya que en las elecciones fue sustituido por Óscar R. Benavides, quien la terminó y la inauguró al lado del actual Palacio de Gobierno, en el año 1938.
Palacio de Justicia – Lima
Su construcción utilizó como fuente principal el diseño del Palacio de Justicia de Bruselas, en donde se puede apreciar una torre y una cúpula.
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3.-Conceptos generales sobre el concreto:
• El concreto es un material compuesto, en el cual existe una gran variabilidad en las características de sus componentes, especialmente en los agregados, produciendo diferentes efectos, en estado fresco y endurecido.
• Inicialmente denota una estructura plástica y moldeable y que luego adquiere una consistencia rígida con propiedades aislantes, resistentes, lo que hace un material ideal para la construcción.
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La principal característica estructural del concreto es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es habitual usarlo asociado a ciertas armaduras de acero, recibiendo en este caso la denominación de concreto armado.
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a) Concreto: Material constituido por la mezcla en ciertas proporciones del aglomerante (cemento+agua), agregados y aditivos.
3.1 -Definiciones
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b) Aglomerante: Es la mezcla del material cementante con una porción adecuada de agua.
c) Pasta: Mezcla de cemento y agua.d) Agregados: Conjunto de partículas inorgánicas de origen
natural o artificial cuyas dimensiones están comprendidas entre los límites fijados en la ASTM C-33.
e) Mortero: Mezcla de cemento, agregado fino y agua.f) Concreto Simple: Concreto estructural sin refuerzo o con
menos refuerzo que el mínimo especificado para concreto reforzado
g) Concreto armado: Concreto estructural reforzado con no menos de la cantidad mínima por norma.
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La calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado y de la unión entre los dos.
La pasta de cemento y agua cubre completamente cada partícula de agregado y llena todos los espacios entre las partículas.
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Para cualquier grupo de materiales y condiciones de curado, la calidad del concreto endurecido es fuertemente influenciada por la cantidad de agua usada con relación a la cantidad de cemento. Cuando grandes cantidades de agua son innecesariamente empleadas, ellas diluyen la pasta de cemento.
Cuanto menos agua se usa, mejor es la calidad del concreto, si es que la mezcla se puede consolidar adecuadamente.
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Diez cilindros de pasta de cemento con relaciones agua-cemento de 0.25 a 0.70. La faja indica que cada cilindro contiene la misma cantidad de cemento. El aumento del agua, diluye el efecto de la pasta de cemento, aumentando el volumen, reduciendo la masa volumétrica y disminuyendo la resistencia.
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Las ventajas de la disminución de la cantidad de agua son:
• Aumento de la resistencia a la compresión y de la resistencia a flexión.
• Disminución de la permeabilidad, entonces disminuciónde la absorción y aumento de la estanquidad.
• Aumento de la resistencia a la intemperie.• Mejor unión entre concreto y armadura.• Reducción de la contracción (retracción, encogimiento)y de la fisuración (agrietamiento, fisuramiento)• Menores cambios de volumen causado por el humedecimiento y el secado.
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4. –El cemento Portland
Es un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación de rocas calizas, areniscas y arcillas, de manera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo propiedades resistentes y adherentes.
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Componentes:
Componente Químico Procedencia usual
95%
Oxido de Calcio (CaO) Rocas Calizas
Oxido de Sílice (SiO2) Areniscas
Oxido de Aluminio (Al2O3) Arcillas
Oxido de Fierro (Fe2O3) Arcillas, Mineral de hierro, Pirita
5%Óxidos de Magnesio, Sodio
Minerales VariosPotasio, Titanio, Azufre
Fosforo y Manganeso
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4.1.2 – Chancado
Se somete a un proceso de chancado para reducir el tamaño de las piedras del orden de 5” hasta los ¾” con lo que están en condiciones de ser sometidas a molienda
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4.1.3 – Molienda
Los materiales son molidos individualmente en un molino de bolas hasta ser convertidos en polvo fino, siendo luego dosificados y mezclados en proporciones convenientes según el tipo de cemento que se desea fabricar.
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4.1.4 – Horneado
La mezcla es introducida en un horno giratorio, tal cual un gran cilindro metálico recubierto de material refractario con diámetros entre 2 y 5 metros y longitudes entre 18 y 150 metros; con velocidades de rotación entre 30 y 90 RPH.La fuente de calor se haya en uno de los extremos y puede obtenerse mediante carbón pulverizad, petróleo o gas en ignición, llegando a temperaturas entre 1250 y 1900 ºC.Estas temperaturas producen inicialmente la evaporación del agua libre, luego liberación del CO2 y finalmente la fusión de la cal, la sílice y ala alúmina en forma de nódulos de color negro característico de tamaños de ¼” a 1” denominados “Clinker de cemento Portland”.
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4.1.5 – Molienda de cemento.
Finalmente el clinker es enfriado y molido en un molino de bolas conjuntamente con yeso en pequeñas cantidades (3% a 6%) para controlar el endurecimiento violento.Esta molienda produce un polvo muy fino que pasa completamente por un tamiz Nº 200 (0.0737 mm. De 200 aberturas por pulgada cuadrada)
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4.1.5 – Ensacado.
Finalmente cemento pasa a ser almacenado a granel, siendo luego suministrado en esta forma o pesado y embolsado para su final distribución.
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4.2 –Composición del cemento Portland:
Imagen en dos dimensiones del cemento portland:Los colores son: • rojo – silicato tricálcico,• azul claro – silicato di cálcico, • verde – aluminato tricálcico, • Amarillo– ferro aluminato tetra
cálcico,• verde claro – yeso, blanco – cal libre,• azul oscuro – sulfato de potasio,
Imágenes de Rayo X (NIST 2001).
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Nombre Químico
Fórmula Abreviatura Nombre corriente
Propiedad
Silicato Tricálcico
3Ca.SiO2 C3S Alita Resistencia inicial
Silicato Dicálcico
2SaO.SiO2 C2S Belita Resistencia a largo Plazo
Aluminato Tricálcico
3CaO.Al2O3 C3A --- Condiciona el fraguado y resistencia a sulfatos
Alumino –Ferrito
Tetracálcico
4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF Celita Trascendencia en la velocidad de hidratación.
Óxido de Magnesio
MgO MgO --- Contenido mayor al 5% - Expansión en la pasta
Oxidos de Potasio y Sodio
K2O, Na2O --- Álcalis Reacciones químicas con agregados - eflorescencias
Oxidos de Manganeso y
Titanio
Mn2O3 , TiO2 --- --- En contenidos mayores a 5%, puede reducir la
resistencia
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4.3 –Mecanismo de hidratación:
La hidratación es el conjunto de reacciones químicas entre el agua y los componentes del cemento (proceso exotérmico), cambiando de estado plástico al endurecido.La velocidad de la hidratación es directamente proporcional a la finura del cemento e inversamente proporcional al tiempo.
4.3.1 –Estado plástico:
Unión del agua y el polvo de cemento formando una pasta moldeable. Dura entre 40 y 120 minutos. En este estado se forman los hidróxidos de calcio.
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4.3.2 –Fraguado inicial:
Se aceleran las reacciones químicas empieza el endurecimiento y pérdida de plasticidad; se evidencia el proceso exotérmico por lo que se genera el calor de hidratación.Se forma una estructura porosa llamada gel de hidratos de Silicatos de Calcio. Este periodo dura alrededor de tres horas. En esta etapa la pasta puede remezclarse sin producirse deformaciones permanentes ni alteraciones en la estructura que aún está en formación.
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4.3.3 –Fraguado final:
Se obtiene al término del fraguado inicial, se caracteriza por el endurecimiento significativo de la pasta y deformaciones permanentes.
4.3.34–Endurecimiento:
Se produce a partir del fraguado final y se incrementan con el tiempo las características resistentes. La reacción predominante es la hidratación permanente de los silicatos de calcio y en teoría continúa de manera indefinida.
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4.4 –Estructura del cemento Hidratado:
Durante la hidratación, el volumen externo de la pasta se mantiene relativamente constante, sin embargo, internamente el volumen de sólidos se incrementa constantemente con el tiempo, causando la reducción permanente de la porosidad, que está relacionada con la resistencia de la pasta endurecida y también con la permeabilidad.Para completar la hidratación se necesita la suficiente cantidad de agua para la reacción química y proveer la estructura de vacios o espacio para los productos de hidratación, la temperatura adecuada y tiempo (Concepto de curado)
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Un concepto básico que permite entender el comportamiento del concreto, reside en que el volumen de los productos de hidratación siempre es menor que la suma de los volúmenes de agua y cemento que los originan, debido a que por combinación química el volumen de agua disminuye alrededor de un 25%, lo que ocasiona la contracción de la pasta endurecida.
Por otro lado está demostrado que el menor valor de la relación agua / cemento para que se produzca la hidratación completa del cemento es del orden del 0.35 a 0.40 en peso para condiciones normales de mezclado.
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Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento. La unión de las fibras y la adhesión de las
partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cemento portland.
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4.4.1 –Gel de cemento:
Constituido por los sólidos de hidratación (Hidratos de Silicatos de Calcio). El agua contenida en el gel no es evaporable por ser intrínseca de la reacción química. Se denomina agua de combinación.
4.4.2 –Poros del gel:
Son espacios tan pequeños entre los sólidos de hidratación que no permiten la formación en su interior de nuevos sólidos de hidratación. El agua entre estos poros se llama agua de gel, puede evaporarse.
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4.4.3 –Poros capilares:
Conformado por espacios entre grupos de sólidos de hidratación , el agua contenida entre ellos se denomina agua capilar.
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4.5 –Tipos de cemento y aplicaciones:
Tipo Característica Usos Norma
I Sin propiedades especiales De uso general.
ASTM C 150
II Bajo calor de hidratación, resistencia moderada a sulfatos.
Estructuras con ambientes agresivos, vaciados masivos
III Desarrollo rápido de resistencia, elevado calor de hidratación
Uso en clima frío, donde se necesite adelantar la puesta en servicio de estructuras.
IV De bajo calor de hidratación Para concreto masivo.
V Alta resistencia a los sulfatos Para ambientes muy agresivos.
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Tipo Característica Usos Norma
IS Con adición entre 25% a 70% de escoria de altos hornos del peso total Características especiales
de obra: fraguado inicial, resistencias tempranas, permeabilidad , reacción álcali – sílice, calor de hidratación, etc.
ASTM C 595
ISM Adición menos del 25% de escoria de altos hornos del peso total
IP Con adición de puzolana entre 15% y 40% del peso total
IPM Con adición de puzolana hasta del 15% del peso total
GU
Cementos hidráulicos adicionados.
Cemento hidráulico de uso general ASTM
C 1157HE Cemento hidráulico de alta resistencia inicial.
MS Cemento hidráulico de moderada resistencia a los sulfatos.
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Los cementos adicionados usan una combinación de cemento portland o clinker y yeso mezclados o molidos conjuntamente con puzolanas, escorias o ceniza volante. La ASTM C 1175 permite el uso y la optimización de todos estos materiales, simultáneamente si necesario, para producirse un cemento con propiedades óptimas.
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Las propiedades técnicas del cemento puzolánico tipo IP, se derivan principalmente de tres características de la reacción puzolánica.
Es una reacción lenta, al contrario que la reacción de hidratación del cemento portland que es rápida, por tanto, la velocidad de liberación del calor y el desarrollo de resistencias serán procesos más lentos.
Cemento Portland Puzolámico IP
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Es una reacción que consume hidróxido de calcio en vez de generarlo, lo que es importante para la durabilidad de las pastas hidratadas en ambientes ácidos.
Al producirse en un tiempo posterior los productos de reacción, rellenan de forma muy eficiente, los espacios capilares que quedan después de la hidratación de los componentes del cemento.Es así que mejora la impermeabilidad y las resistencias mecánicas del sistema (menor porosidad).
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FinuraSuperficie especifica Blaine
3270 cm^2/gr
Estabilidad de volumen
Expansión de autoclave 0.2%
Tiempo de fraguado
Prueba Vicat:Fraguado inicial2h 48mFinal 3h 55m
Resistencia a la compresión
3 días: 170kg/cm^27 días: 225kg/cm^228 días: 265Kg/cm^2
Contenido de aire
9.0%
Algunos requisitos de norma:
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4.6–Los cementos en el Perú:
En la actualidad se fabrican en el Perú los cementos tipo I, tipo II, tipo V, tipo IP , tipo IPM y tipo HE.
Los Fabricantes:Cementos Lima, Cementos Pacasmayo, Cementos Yura, Cemento Andino, Cemento Sur.
Para fines de diseño de mezclas hay que tener en cuenta que los cementos standard tienen un peso especifico del orden de 3,150 Kg/m3 y los cementos puzolánicos son mas livianos con pesos específicos entre 2,850 y 3,000 Kg/ m3.
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4.7–Almacenamiento:
La buena disposición que se adopte para el almacenamiento de los insumos del concreto, contribuye a la buena marcha de la obra, y permite la producción eficiente de un concreto de calidad.
El diseño general de las instalaciones de almacenamiento, se efectúa en la etapa previa de la construcción, teniendo en cuenta:• Ubicación y características del área donde se asienta la
construcción.• Espacios disponibles.
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• Consumo promedio de concreto de acuerdo al cronograma de la obra
• Consumo máximo y duración del periodo en el cual se realiza la mayor
producción de concreto.• Forma y medios de aprovisionamiento de los materiales.• Stock mínimo que es conveniente mantener.• Ubicación de las mezcladoras o central de mezcla.• Alternativas y costos para las diferentes instalaciones de
almacenamiento.
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4.8–Comercialización:
La mayor parte del cemento se comercializa en bolsas de 42.5 K. y el resto a granel, de acuerdo a los requerimientos del usuario.Las bolsas por lo general, son fabricadas en papel krap extensible tipo Klupac con variable contenido de hojas, que usualmente están entre dos y cuatro, de acuerdo a los requerimientos de transporte o manipuleo. En algunos casos cuando las condiciones del entorno lo aconseja, van provistas de un refuerzo interior de polipropileno. También la comercialización del cemento en bolsones con capacidad de 1.5 toneladas. Dichos bolsones se conocen como big bag.
TECNOLOGÍA DEL CONCRETO
Pruebas físicas al cemento
Tiempo de Fraguado (Vicat): ASTM C 191• Tiempo de Fraguado (Gillmore): ASTM C 266
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Pruebas físicas al cemento
Masa específica: ASTM C 188 (Le Chatelier / Picnómetro de Helio)
• Peso unitario