HIDRATACION, TIEMPO DE FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO

La calidad de unión (adhesión, adherencia) de la pasta de cemento portland se debe a las reacciones químicas entre el cemento y el agua conocidas como hidratación.

El cemento portland es una mezcla de muchos compuestos, cuatro de ellos totalizan el 90 % o mas del peso del cemento portland, silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico. Además de estos compuestos, muchos otros desempeñan un papael importante en el proceso de hidratación.

Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen 75% del peso del cemento portland, reacciona con el agua para formar dos compuestos, hidróxido de calcio e hidrato de silicato de calcio, este último es el más importante compuesto del concreto, ya que de él depende propiedades como fraguado, endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional.

La composición química del silicato de calcio hidratado es un tanto variable, pero contiene cal (CaO) y dióxido de silicio (SiO2) enn proporción de 3 a 2. En pastas endurecidas de cemento, el silicato de calcio hidratado forma un vinculo denso entre las otras fases cristalinas y los granos de cemento aún no hidratados, también se adhiere a los granos de arena y a los agregados gruesos, cementándolo todo junto. La resistencia esta en las partes solidas de la pasta, sobre todo en el silicato de calcio hidratado y en los compuestos cristalinos.

Al mezclarse el concreto, no se debe usar más agua que aquella estrictamente requerida para obtener un concreto plástico y trabajable. Normalmente la cantidad de agua usada es mayor que la necesaria para la hidratación completa del cemento. Sin embargo, la hidratación completa es rara en los concretos de las obras, debido a una falta de humedad y al largo periodo de tiempo (décadas) que se requiere para obtener la hidratación total.

FIGURA 1. Tiempo de inicio y fin de fraguado para una misma mezcla a diferentes temperaturas.

La velocidad de reacción entre el cemento y el agua es importante porque determina el tiempo de fraguado y endurecimiento. El yeso que sea añade en el mollino de cemento al molerse el clinker, actúa como un regulador del fraguado inicia del cemento portland. La finura del cemento, aditivos,

cantidad de agua adicionada y temperatura de los materiales en el momento de la mezcla son otros factores que influyen en la velocidad de hidratación. En la Figura 1 se muestra las propiedades de fraguado del concreto en diferentes temperaturas.

COMPUESTOS QUIMICOS E HIDRATACION DEL CEMENTO

Durante la fabricación del clinker de cemento portland, en el proceso de calcinación, el calcio se combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa de cemento. En la molienda, se añade yeso (del 4% al 6%) u otra fuente de sulfato de clacio y otros auxiliadores de molienda. Se usan las siguientes abreviaturas para describir los compuestos:

A= Al2O3, C=CaO, F=Fe2O3, H=H2O, M=MgO, S=SiO2 y S=SO3

Los cuatro compuestos o fases principales del cemento portland, son los siguientes:

Silicato tricálcico (Alita) 3CaO SiO2∙ = C3S

Silicato dicálcico (Belita) 2CaO SiO2∙ = C2S

Aluminato tricálcico 3CaO Al∙ 2O2 = C3A

Ferroaluminato tetracálcico 4CaO Al∙ 2O2 Fe∙ 2O3 = C4AF

Siguen las formas de sulfato de calcio, a continuación,

Sulfato de calcio anhidro (anhidrita) CaSO4 = CaO SO∙ 3= C S

Sulfato de calcio dihidratado (yeso) CaSO4∙2H2O = CaO∙SO3∙2H2O = C SH2

Hemidrato de sulfato de calcio CaSO4 ∙ ½H2O = CaO∙SO3 ∙ ½H2O = C SH1/2

El C3S constituye entre el 50% y 70% del clinker, mientras el C2S es responsable del 15% al 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% al 15%, en la Figura 2 se muestran una micrografía en donde se observan los cristales de alita y belita.

FIGURA 2. Se ve la alita (C3S) como los cristales angulares y la belita (C2S) como los cristales más oscuros y redondeados.

En presencia de agua, estos compuestos se hidratan para formar nuevos compuestos los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto. Los silicatos de calcio, C 3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado. El cemento portland hidratado contiene del 15% al 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 505 de silicato de calcio hidratado en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado. El C3A reacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetra cálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso, anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua se combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 1.

El sulfato esta presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de la resistencia.

Los compuestos o fases principales del cemento tienen las siguientes propiedades:

Silicato Tricálcico. C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana. La resistencia del concreto de cemento portland es mayor , cuando el porcentaje de C3S aumenta.

Silicato Dicálcico. C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente en el aumento de resistencia en edades más allá de una semana.

Aluminato Tricálcico . C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primero días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco en el desarrollo de resistencias iniciales. Los cementos con bajos contenidos de C3A resisten mejor a suelos y aguas con sulfatos.

Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerizacion durante la fabricación del cemento. Contribuye muy poco a la resistencia e influye en el color del concreto.

Sulfato de Calcio. Comunmente llamado de yeso de parís, se adiciona al cemento durante la moliendafinal, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita. Esto controla la hidratación del C3A. Además ayuda controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia a las 28 días.

En la tabla 2, se muestra una descripción simplificada de la hidratación del concreto.

PROPIEDADES FISICAS DEL CEMENTO Y LOS AGREGADOS Y SU INCIDENCIA EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL CONCRETO DE CEMENTO PORTLAND.

La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama finura. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Sin embargo al dar un mayor calor de hidratación genera una mayor retracción y por lo tanto es más susceptible a la fisuración. Pero un cemento fino exuda menos que uno más grueso, debido a que retiene mejor el agua al tener mayor superficie de hidratación.

Por su parte el tamaño de los agregados influyen en la demenda de agua, de cemento, trabajabilidad de la mezcla, bombeabilidad, economía, porosidad, retracción, y durabilidad del concreto. En general los agregados que mantienen una curva granulométrica suave producen mejores resultados en las mezclas de concreto.

CURADO DEL CONCRETO

El aumento de la resistencia con la edad continua desde que:

1. El cemento no hidratado aún este presente,2. El concreto permanezca húmedo o la humedad relativa del aire esté arriba de

aproximadamente 80%,3. La temperatura del concreto permanezca favorable,4. Haya suficiente espacio para la formación de los productos de hidraacion.

Cuando la humedad relativa dentro del concreto baja hasta cerca de 80% o la temperatura del concreto baja de 0°c, la hidratación y la ganancia de resistencia del concreto se interrumpen. Si se vuelve a saturar el concreto después del periodo de secado, la hidratación empieza nuevamente y la resistencia vuelve a aumentar. Sin embargo, es mucho mejor que el curado húmedo sea aplicado continuamente desde el momento de colocación hasta que el concreto haya alcanzada la calidad requerida. En la Figura 2 se muestra la relación entre el aumento de la resistencia y el curado húmedo.

FIGURA X. La resistencia del concreto aumenta con la edad dependiendo de las condiciones de humedad y temperatura. (Gonnerman y Shuman 1928)

El concreto no se endurece o se cura con el secado. El cemento necesita de humedad para hidratarse y endurecerse. Cuando el concreto se seca, la resistencia para de crecer, el hecho es que el secado no indica que haya ocurrido suficiente hidratación para que se obtengan las propiedades físicas deseables.

La resistencia a la compresión del concreto es función de la relación agua-cemento, de cuanto la hidratación ha progresado, del curado, de las condiciones ambientales y de la edad del concreto.

Además es fundamental garantizar el curado del concreto, ya que la retracción del concreto, causando esfuerzos de tensión. Si estas tensiones se desarrollan antes que el concreto haya logrado resistencia suficiente, la superficie va a fisurarse.