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8/12/2019 CEMENTO_COMPUESTO

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NOTAS TCNICAS

LOS CEMENTOS COMPUESTOS:

UN EXTRAORDINARIO AVANCE EN LATECNOLOGA DEL CEMENTO HIDRAULICO


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INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN - INECYC Primera Edicin: 2010

Fuente: Nota Tcnica escrita por el Ing. Ral Camaniero

Coordinacin: INECYC

Portada e Impresin: Imprenta NOCIN - Quito

INECYC entrega la serie Notas Tcnicas, con el objeto de difundir la tecnologa y el uso eficiente delcemento y hormign. Ni los autores ni el Instituto, se hacen responsables por cualquier error, omisin odao por el uso de esta informacin. Estos documentos no intentan suplir normas tcnicas, prcticasconstructivas ni los conocimientos y criterios de los profesionales responsables de la construccin de lasobras.

ISBN: 978-9978-390-04-7

INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN - INECYCAvenida de los Shyris N 39 30 y El TelgrafoTelfono (593 2) 246 75 11Fax (593 2) 245 75 08

Quito - Ecuadorwww.inecyc.org.ec


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UN EXTRAORDINARIO AVANCE EN LA TECNOLOGA DEL CEMENTO HIDRAULICO 1

INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN

El legado a la humanidad delcemento portland por parte deinvestigadores como John Smeaton,L. J. Vicat, Joseph Aspdin y otrospermiti el desarrollo acelerado dela industria de la construccin. Creo

que se podran marcar dos erasclaramente diferenciadas: desde elNeoltico hasta el siglo 19 dondeel aglomerante universal era la caly eventualmente el yeso y desdeese siglo hasta nuestros das dondeprevalece el cemento hidrulico.

LOS CEMENTOS COMPUESTOS:

UN EXTRAORDINARIO AVANCE EN LATECNOLOGA DEL CEMENTO HIDRAULICO

Estocolmo 1.933


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LOS CEMENTOS COMPUESTOS:2

En el siglo 20 se construyeron miles de obras conhormign: puentes, presas, carreteras, aeropuertos,tneles, edificios, etc. En 1.950 ya se produca en elmundo entero alrededor de 400 millones de m3 dehormign. Para 1.960 la produccin rebasaba los

mil millones de m3. En el ao 2.000 se fabricaron1.670 millones de toneladas de cemento hidrulico.En el 2.008 se consumieron 2.808 millones detoneladas (con una tonelada de cemento se fabricaalrededor de 3 m3 de hormign).

Presa Hoover E.U. 1.936 Perforacin de un tnel

Salginatobel, Suiza, 1.930


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En los aos 30s, siendo la tecnologa del hormignan muy joven, los calculistas entusiasmados porlas propiedades mecnicas inmediatas que presentaeste material, proyectan perodos de diseo de 60aos y mayores y con este criterio se construyen

muchsimas obras en los EE.UU. y los pasesindustrializados.

Sin embargo, en los aos 70s ya se observannumerosas construcciones deterioradas y con fallasprematuras, algunas demuestran tener muy pocaresistencia a los sismos; pero se consideran comocasos excepcionales producidos por errores en el

diseo, materiales defectuosos y/o procedimientosde construccin inadecuados.

Puente ferroviario sobre el ro Paraguay, 1.947


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Pero las fallas son generalizadas y se presentan endiferentes tipos de obras de hormign en muchospases. En Norteamrica, el National MaterialsAdvisor Board (Junta Consultiva Nacional sobreMateriales), investiga el asunto e informa que:alrededor de 253.000 tableros de puentes de

menos de 20 aos de edad sufran algn grado dedeterioro y se presentaban 35.000 nuevos casoscada ao. Se reportaron situaciones similares enel Canad y en otros pases en tneles submarinosrecin construidos. En la mayora de los casos,el diseo estructural, los materiales empleados ylos procedimientos de construccin utilizaron losconocimientos y la tecnologa ms avanzada de lapoca.

Como sucede con frecuencia en estos casos, larespuesta de los constructores de puentes fue la de

emplear resistencias a la compresin ms elevadas.Esto, lejos de constituir una solucin, ms bienagrav el problema. De acuerdo a una investigacinrealizada por el National Cooperative HighwayResearch Program (Programa Cooperativo Nacionalde Investigacin de Carreteras), ms de 100.000tableros de puentes de hormign sufrieron rajadurastransversales en toda su altura, espaciadas de 1 a3 metros, antes que el hormign tuviera un mes deedad.

El deterioro de estructuras de hormign se continapresentando en nuestra poca, ya adentrados en elsiglo XXI. La razn fundamental est en que algunostipos de daos se manifiestan solamente despus demuchos aos de construida la obra y, generalmentetienen un desarrollo lento. Peridicamente sepresentan nuevas tcnicas para reparar y rehabilitarobras, y en particular puentes que han sufridodeterioros. El costo de reparacin y rehabilitacinde las estructuras de hormign se eleva, solo en losEE.UU., a algunos miles de millones de dlares.

La conclusin a la que se lleg con ese estudio fueevidente: no se conoce suficientemente la mecnica

del desarrollo de la resistencia en el hormign nilas causas de su deterioro; es necesario investigarpara encontrarlas y buscar los mecanismos decontrarrestarlas y asegurar la durabilidad de lasestructuras. Nace entonces una nueva tecnologa quehoy la conocemos como Patologa del Hormign.

Garantizar la durabilidad debe ser la prioridaden cualquier tipo de obra civil. En el hormign,

lastimosamente, se le ha dado preeminencia a laresistencia a la compresin y, generalmente, esla nica que se mide. En muchas estructuras, laresistencia a la compresin pasa a un segundoplano, como en los pavimentos, aunque algunasinstituciones, por un concepto mal interpretado,siguen especificando resistencia a la compresiny mdulo de rotura. Un pavimento, debe serespecificado por su resistencia a flexin (mdulode rotura MR) y ser evaluado en funcin de estaresistencia, a menos que previamente, en base aensayos en laboratorio y utilizando los materiales aser empleados en la obra, se haya determinado larelacin con otra resistencia (traccin o compresin).

La reparacin de estructuras es frecuente

Ahora las obras importantes como los puentes, llevan cma-ras de registro en donde se monitorea permanentemente elcomportamiento de la estructura.


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Pero, todas las propiedades mecnicas del hormign,por elevadas que sean, no pueden contrarrestarciertos agentes agresivos. Entonces, las estructurasde hormign que se construyen no solo que debendisearse para ser resistentes a las solicitacionesinmediatas, sino que deben permanecer estables

y resistentes durante toda su vida til, soportandolos agentes que atacan al hormign: la intemperie,la carbonatacin, los cambios climticos, la accinde las aguas saladas, sulfatadas, cidas, cloruros,desechos industriales, la reactividad lcali slice,etc., etc.

Hasta mediados del siglo pasado no se conoca oestaba en el plano de la investigacin, la accin de lamayora de los agentes agresivos. La tecnologa actualha desarrollado los mecanismos para contrarrestaresos agentes y los vamos a analizar con detalle. En

esta primera entrega presentamos la accin de lossulfatos.

El azufre en sus mltiples formas se encuentrapresente en todo el planeta y con mayor intensidaden los pases con actividad volcnica pues es unasustancia que se proyecta con las erupciones. Enel Ecuador, con volcanes en permanente actividad,

las sales de azufre estn presentes en las llanuras dela Costa, del Oriente y todos los valles de la reginInterandina.

Tungurahua

PichinchaReventador


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Entre las obras civiles, las hidrulicas, sanitarias,pavimentos rgidos y cimentaciones profundasparece que estn expuestas a las peores condiciones

de exposicin a un sinnmero de agentes altamenteagresivos. Las plantas de tratamiento de aguasdeben lidiar con aguas conteniendo sulfatos, a losque se suman los sulfatos utilizados en estas plantas;las obras sanitarias deben manejar aguas servidascon elevados contenidos de sustancias qumicasproducto de los desechos industriales, suelossulfatados y humedad constante; las obras martimasestn sometidas a la accin de los cloruros, sulfatosy materia orgnica.

Las causas para que el hormign sea vulnerable aesos agentes se encuentran en las materias primasy en el proceso de fabricacin del cemento; estees el producto de la calcinacin hasta un principio

de fusin (alrededor de 1.400 oC) de una mezclargidamente homognea de calizas y arcillas, molidahasta convertirse en una fina harina conocida con elnombre de crudo.

Mina de arcilla

Piedra caliza

Mina de caliza

Sangay


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En el proceso de coccin, se combina la cal conlos xidos de la arcilla y se forman sales solublesque tienen propiedades cementantes: silicatos,

aluminatos, ferroaluminatos de calcio y una treintenams de componentes.

CLINKER PORTLAND

CAL LIBRE

1 a 2 %

Yeso mineral

Calcinacin a alrededor de 1.450oC

Cal (piedra caliza o

carbonato de calcio)

Arcillas: xidos de

varios minerales

Moltura y dosificacin

Esquemticamente

CRUDO

Despus de la molturacin del clinker con pequeasadiciones de yeso tenemos cemento portland

ordinario o como se lo conoce universalmente opc

Todos los cementos portland que se fabrican tienenal menos un 1 % de cal libre que ya ocasionaproblemas.

Pero lo ms crtico se produce al momento defabricar hormign o mortero, cabe decir cuando


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Cemento prtland

ordinario

o.p.c.

Pasta

cementante

Hidrxido

de calcio

AGUA

Las eflorescencias en el hormign se producen cuando laestructura est sujeta a la humedad. El agua disuelve las salessolubles del cemento (cal) o de los materiales granulares yarrastra por las porosidades capilares esas sales hasta salir ala superficie. All el agua se evapora y deja las manchas sobrela superficie del hormign. Estas son blanquecinas si las salesson de cal o grises si son de otra naturaleza.

se pone en contacto el agua con el cemento;comienzan las reacciones qumicas que dan lugar ala pasta cementante, pero en el proceso se libera otra

cantidad de cal en forma de hidrxido de calcio yesta es considerable: hasta un 25 % de la masa delcemento.

Molino de cemento


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La cal libre provoca algunos problemas al hormigndesde unos elementales, hasta otros muy complejosy peligrosos:

Siendo un material muy soluble en elagua, es arrastrado fcilmente fuera del

hormign (lixiviacin de la cal) provocandolas eflorescencias y dejando al hormignporoso, con el riesgo de ingreso de sustanciasagresivas.

Cuando la cal absorbe humedad, incrementaconsiderablemente su volumen, se hinchay cuando se seca se contrae provocando lainestabilidad de volumen del hormign.

La cal es una sustancia qumica muyamigable; se combina fcilmente con

cualquier otro componente. Esta es la raznpor la cual, en el proceso de fabricacin delcemento reacciona con todos los xidos quecomponen la arcilla. Si se encuentra con salesde azufre (sulfatos), que en nuestro pas esmuy abundante, se forma sulfato de calcio(yeso) con incrementos de volumen del ordendel 18 %. Esto significa el deterioro progresivode cualquier estructura que empieza en elrecubrimiento y termina destruyndola.

Si se da una fatal coincidencia del encuentrode hidrxido de calcio, sulfato y aluminatotriclcico (C

3A) se puede producir etringita.

La expansin de esta sal, medida por Boguey Lerch es de un 227 % !!!!!, es decir lasdestruccin total de cualquier estructura dehormign.

Existen numerosos ejemplos de fallas estructuralesproducidas por estas acciones, los ensayos delaboratorio confirman y ratifican esos riesgos. Enlaboratorio se fabrican barras de mortero de cementocon arena de slice normalizada y se las somete auna solucin de sulfato de sodio durante 180 das.

Peridicamente se extraen las barras y se las midepara determinar su deformacin.

Barra de mortero con cemento portland puzolnico tipo IPdespus de 180 das de inmersin en sulfato de sodio; defor-macin final: 0,04 % de la longitud inicial, (la norma consideratolerable hasta 0,10 %)

Aparato para medir la longitud de las barras de mortero


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Buscando las soluciones al problema, losinvestigadores se encontraron con un productomilagroso: la puzolana; veamos qu es este materialexcepcional:

Definicin del ACI y de la ASTM:

Puzolana- material silceo o slico aluminoso que porsi solo posee muy poco o ningn valor cementantepero que finamente pulverizado y en presencia deagua, reaccionar qumicamente con el hidrxidode calcio, a temperatura ambiente, para formarcompuestos que poseen propiedades cementantes.

En otras palabras, la puzolana fija la cal, combinndosequmicamente con ella, formando compuestos

cementantes y evitando que pueda reaccionar concualquier agente agresivo como los sulfatos. Otracualidad excepcional de este producto es que lareaccin con la cal es tarda; empieza cuando se haliberado el hidrxido de calcio y es lenta, liberandomucho menor calor de hidratacin que el opc yaumentando la resistencia del hormign con el pasodel tiempo.

Se pueden emplear dos tipos de puzolana: laprimera se obtiene de los depsitos naturales de

las deyecciones volcnicas, en forma de espuma opumicite, tobas, etc. Otra vez juegan un papel muyimportante los volcanes. La segunda proviene desubproductos de la industria metalrgica en formade cenizas volantes (fly ash), microslice y escoriade altos hornos.

En Amrica, la ASTM (American Society for Testingand Materials) y el ACI (American Concrete Institute)han contemplado las estructuras sometidas a laaccin de los sulfatos.

El Reglamento para Hormign Estructuraldel ACI 318S-08, en el Captulo 4: Requisitosde Durabilidad, define varias condiciones deexposicin a las que pueden estar sujetas lasestructuras y establece categoras de acuerdo a laseveridad de la exposicin. En la siguiente tabla seha extrado la parte correspondiente a la accin delos sulfatos:

Barra de mortero con cemento portland ordinario (opc) despus de tres semanas en solucin de sulfato de sodio

Barras de mortero con cemento portland ordinario (opc) des-pus de 5 semanas en solucin de sulfato de sodio (prctica-mente se disolvieron)


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La Tabla 4.3.1 del mismo captulo del ACI 318S establece los requisitos que debe cumplir el hormign expuestoa las clases de exposicin sealadas arriba.

Categora Severidad Clase

Condicin

Sulfatos solublesen agua(SO4), en el

suelo, % en masa

Sulfato (SO4)disuelto en agua,

ppm

SSulfato

Leve S0 SO4 < 0,10 SO4< 150

Moderada S1 0,10 SO4< 0,20150 SO4 < 1.500

Agua de mar

Severa S2 0,20 SO4 2,001.500 SO4

10.000

Muy severa S3 SO4 > 2,00 SO4 > 10.000

Clase deexpo-sicin

Relac.a/mcmx

fcmnima

MPa

Requisitos mnimos adicionales

Tipos de material cementanteA Aditivocloruro

de calcioASTM C 150(INEN 152)

ASTM C 595(INEN 490)

ASTM C 1157(INEN 2 380)

S0 N/A 17Sin restriccin

en el tipoSin restriccin



S1 0,50 28 IIB,C IP(MS)IS(


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BIBLIOGRAFA

ASTM - American Society for Testing and Materials.Volmenes: 04.01; 04.02ACI - American Concrete InstituteWikipedia - La Enciclopedia Libre de InternetDepartamento de Ensayo de Materiales.- Facultad deIngeniera, Universidad CentralAsefa - Agresividad del Suelo hacia Estructuras de Hormign.Ataque QumicoCementos Minetti Accin de los SulfatosS. Martnez Ramrez; M. T. Blanco Varela: Instituto de

Ciencias de la Construccin Eduardo TorrojaWikilibros - Patologa de la Edificacin. Estructuras de

HormignInfotcnica Loma Negra ARS para Todos los AmbientesAgresivos?Ma C. Angel Martnez I. Fontao Orosa, et al. - Patologas delHormign - GeogacetaPonce de Maio Mara Beatriz La Durabilidad del Hormign;Intemin SegemarCIATH Argentina Procesos Qumicos de Deterioro delHormignConstrumtica Suelos Agresivos.

Es necesario resaltar que los cementos compuestossolos o con la adicin de puzolanas artificiales, soncapaces de contrarrestar hasta las condiciones msseveras de exposicin a sulfatos (S3).

Experiencias locales, mediante ensayos de laboratoriorgidamente controlados han demostrado que elcemento portland puzolnico tipo IP fabricado enel pas puede contrarrestar eficazmente accionesmoderadas de sulfatos y con la adicin de un pequeo

porcentaje de microslice, inclusive acciones severas.

Para que la accin de la puzolana sea efectiva,es necesario cumplir con una de las condicionesms importantes para garantizar la calidad de un

hormign: el curado. En la definicin de puzolanase enfatiza que la reaccin qumica cal puzolana serealiza en presencia de agua, entonces es de vitalimportancia mantener el curado de las estructurasel ms largo perodo de tiempo que sea practicablepero que en ningn caso puede ser menor a 7 das.Descuidar este aspecto perjudica doblemente alhormign: por una parte la puzolana no puede fijarla cal combinndose con ella, dejando al hormignvulnerable a la accin de agentes agresivos y por otro

lado, la puzolana permanece dentro del hormigncomo un relleno inerte sin contribuir con el cementoa unir las partculas, ni incrementar la resistencia delhormign.

El ACI 318, tambin permite utilizar las combinacionesalternativas de materiales cementantes siempre quese hayan realizado comprobaciones en laboratorio

y los valores de expansin mxima alcanzados enbarras de mortero estndar, sean los que se indicanen la tabla que se muestra a continuacin.

TABLA 4.5.1

Requisitos para establecer la conveniencia de las combinaciones de materiales cementantesexpuestos a sulfatos solubles en agua

Clase de exposicinExpansin mxima al ser ensayada usando ASTM C 1012 (INEN 2 503)

A 6 meses A 12 meses A 18 meses

S1 0,10 por ciento

S2 0,05 por ciento 0,10 por ciento A

S3 0,10 por ciento

A.El lmite de expansin a los 12 meses solo se aplica cuando se ha rebasado el lmite a los 6 meses.


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