Resultados recientes en la aplicación del cemento LC3 en la fabricación de … · 2019-01-07 ·...

28/12/2018

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www.LC3.ch

Resultados recientes en la aplicación del cemento LC3 en la fabricación de hormigones

Seminario de aditivos. La Habana

Prof. José Fernando Martirena Hernández

Noviembre 27, 2018

Centro de I+D+i orientado al desarrollo de tecnologías para la producción de materiales de construcción.

CIDEM: centro de investigación y desarrollo de estructuras y materiales

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Guion de la conferencia

» Contexto en Cuba

» El cemento de bajo carbono LC3

» El proceso de molienda, problemas y soluciones

» El impacto del uso de aditivos intensificadores de molienda

» El uso de aditivos para modificar la reología del hormigón

» Experiencia de aplicaciones de LC3 en la fabricación de hormigones

» Consideraciones preliminares sobre durabilidad


» Contexto en Cuba







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El crecimiento del Programa de la Vivienda depende de:

» Aumentar la producción de cemento

» Aumentar la producción local de materiales de construcción

Pero hay otros programas que también dependen de la producción de cemento…

• Inversión en infraestructura vial, portuaria• Inversión extranjera en la industria y el turismo• Edificaciones no residenciales en ciudades

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4

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Cap. DisponibleTotal

Cap. Disponiblepara 90 % aprov

Consumo Nac.

Mt

years

7232 Mt

2691 Mt

6652 Mt

4762 Mt

5362 Mt

6509 Mt

5695 Mt

1811 Mt

3500 Mt

Proyección de la producción y uso de cemento en Cuba

250% crecimiento

¿Cómo mitigar la demanda?

Production 2012Cement: 1,8 MM tClinker: 1,56 MM tClk/cem: 0.86

Plan 2019?Cement: >3,0 MM tClinker: 1,56 MM t?Clk/cem: 0.55??

La industria debe bajar el factor de clinquer…

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» Contexto en Cuba







2005-2008SDC-SNSF Project

Calcined clays forpozzolans

2009-2012SDC-SNSF Project

Ternary blendcement calcined clay-limestone

2013-2018SDC-Climate Change

Low Carbon Cement

La búsqueda de alternativas sostenibles para sustituir clinquer a través de materiales cementicios suplementarios

Historia de la cooperación CIDEM & LMC-EPFL

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Cemento de Bajo Carbono LC3

Low Cost

Low Capital

Low Carbon

www.lc3.ch

¿Qué es el LC3?

LC3 is a family of cements,

the figure refers to

the clinker content

• 50% less clinker

• 30% less CO2

• Similar strength

• Better chloride resistance

• ASR resistant

0

20

40

60

80

100

PC PPC30 LC3-50 LC3-65

Mas

s p

rop

ort

ion

(%

)

GypsumLimestoneCalcined clayClinker

0

10

20

30

40

50

60

70

PC LC3-50

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

(M

Pa)

1 day

7 days

28 days

90 days

Slide Prof. Karen Scrivener

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Mecanismo de acción

Clinker

CalcinedClay

Limestone

Alumino Carbonate Reaction

DenserMicrostructure

Strength Durability

The synergy between calcined clay and limestone enables higher clinker substitution rates

Kaolinitic clays having kaolinite content above 40% are suitable for their use in these ternary systems

Based on a slide from S. Bishnoi

Comportamiento con arcillas de bajo grado

Burgess Clay1 Clay 2 Clay 3

Kaolinite content (%) 95 80 50 20

Clay1

Clay2

Clay3


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El principal parámetro es el contenido de caolinita

» Linear increase of strength with the grade of calcined clays up to 7d

» Similar strength to PC for blends containing 40% of calcined kaolinite from 7d onwards

» At 28 and 90 days, little additional benefit for clays >50% of kaolinite

» Influence of the grade of calcined clays on strengthBenchmark test of clay strength

» Strengths measured at 1, 3, 7, 28 and 90 days


Disponibilidad global de arcillas adecuadas


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Selection criteria

• Kaolinite content• Resources available• Distance to cement plant

Pontezuela1 industrial

sizecomposite

Loma Sur

4 surface samples, 1 composite

La Loma

14 surface samples, 4 composites

El Yigre14 surfacesamples

4 composites

Cayo Guam10 surface samples,

1 composite

Roger Almenares, 2015

Arcillas caoliníticas estudiadas en Cuba

Artemisa10 surface samples,

1 composite

• 118 tonnes of original material with 18% moisturecontent were fed to the kiln

• 65 tons of calcined material were obtained

First batch: 3-5 tonnes (discarded)

2nd batch: 8-10 tonnes

5th batch: 17-20 tonnes

Primera prueba industrial, 2013, Cuba

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120 t in silo

10 In bags

Prueba industrial de molienda, Cuba 2013

Setting time Comp. strength, MPa

Institution % clinkerRet. 4900

(% )

Blaine

(cm2/g)

initial

(min)

Final

(hrs.)3d 7d 28d

Cement

P3590 5.0 3216 21.18 29.38 40.03

Cement

PP2580 5.0 3600 23.22 34.7

Cement

PP3580 5.0 3520 23.6 30.1 46.6

Cement

LC3-5050 5.0 5666 17.5 - 43.37

Cement

LC3-6565 5.0 4416 15.75 30.83 47.53

Cuban standard

P35 (NC-95)6.5 >2800 >45 <12h 17 25 35

Valores de referencia en Cuba

LC3 reaches similar performance with a lot less clinker…

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Prueba industrial de molienda, India 2015

Ensayos de LC3 en laboratorios externos (India)

Tests IIT- Delhi NCB JK Lakshmi

Standard Consistency 30% - 31.25%

Blaine's Fineness (m2/kg) >600 >600 >600

Loss on Ignition 6.7% 7.19% 7.44%

Insoluble Residue - 21.08% `19.52%

3 Days Strength (MPa) 25.0 29 27.4



Slide Prof. S. Bishnoi

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Producción industrial de hormigón, Cuba, 2014


» Contexto en Cuba







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Retos en la molienda

Ternary binders have components that are present in small quantities and grinding could eventually become a problem

Molienda en la prueba industrial en Siguaney

PRIMARYGRINDER

SEONDARY GRINDER

SEPARATOR

PNEUMATICPUMP

Particle size distribution is

controlled by an air separator

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Impacto de la intermolienda en las propiedades del cemento

Clinker

Calcined clay

Quartz

Limestone

CoarserClinker (over 90 µm

Finerthe Rest

Separator gauge was set for around 10% of

cement retained at 90 µm sieve (coarser

than normal practice)

Most material retained at 90 µm (9%) sieve

was coarse clinker

Intermolienda de cementos multi-componentes

Steel ball

Clinker

Calcined clay

Limestone

Electrically charged particles create dust

coating on the steel ball and shell of the

mill and prevent clinker from further

grinding

Calcined clay and limestone as a result

end up ground in excess

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La intermolienda favorece la sobre-molienda de los materiales más suaves

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Fin

enes

s (%

pas

s 9

0 µ

m)

Grinding time (min)

LC3 2 1

LC3 1 1

P 35

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

30 35 40 45 50 55

% C

linke

r

Grinding time (min)

Impact grinding on clinker

d< 7µm

7 µm < d <40 µm

d > 40 µm

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

30 35 40 45 50 55%

cal

cin

ed c

lay

Grinding time (min)

Impact of grinding calcined clay

d< 7µm

7 µm < d <40 µm

d > 40 µm

Estrategia de molienda: molienda separada (LC2)

PRIMARYGRINDER

SEONDARY GRINDER

SEPARATOR

PNEUMATICPUMP

BELT 1: calcined clay

BELT 2: gypsum

BELT 3: limestoneLC2

CLK CCL LS GYP Total SO3LC2 2:1 0.00% 63.00% 30.00% 7.00% 100.00% 2.80%

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LC2 puede ser utilizado en cementos mezclados Y como una adiciónmineral al hormigón

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Mineral addition

for concrete

+ =

Formulación como adición mineral

60.00%35.00%

5.00%

LC2 2:1

Calcined clay Limestone Gypsum

90.00%

5.00%5.00%

P35

Clinker Limestone Gypsum

45.00%

30.00%

20.00%

5.00%

LC3-50 2:1

Clinker Limestone Calcined clay Gypsum

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Impacto en la reología de hormigones

Formulaciones del LC3/LC2 (relación aricllla calcinada: caliza)

Calcined clay/limestone= 2:1




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Morteros estandarizados (CP+LC2)

P-35 LC3 50(2:1) LC3 50(1:1) LC3 65(2:1) LC3 65(1:1)

1 d 7.29 12.5 7.84 12.3 7.68

3d 17.6 28.3 10.1 29.7 26.3

7d 28.7 36.3 24.5 39.3 30.1

28d 34.7 41.53 23.39 48.41 46.48

0

10

20

30

40

50

60

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

MP

a

P35 + LC2Initial setting

time (min)Final setting time

(hrs)Normal

Consistency (%)LC3 50 (2:1) (50% LC2) 40 1.33 35LC3 65 (2:1) (35% LC2) 40 2 33

Contenido de arcilla calcinada decrece

Incrementa el contenido de clinquer


» Contexto en Cuba







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¿Cómo mejorar la distribución de tamaño

de partículas?

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Efecto de los intensificadores sobre la molienda

CC 1h no GA CC 1h PCE 1 0.45% CC 1h Amine 0.13% CC 1h Glycol 0.12%

Effect of the type of molecule

Franco Zunino, 2018

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» Agglomeration

» Compressibility

» “Coating”

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Mecanismos de acción de los intensificadores de molienda

Ariane Martho, 2017

Influence of Powder Filling on Mill efficiency

60

70

80

90

100

110

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Void Filling (%)

Mill

eff

icie

ncy (

%)

Optimum Powder Filling

at 85% of Voids

Typical Mill Operation

at >100% (2nd Chamber)

For optimised

Circulating Load

Cement Additives

Reduce Void Filling

and Increase

Mill Efficiency

High Void Filling =

Low Efficiency -

High Residence Time

Low Rate of Breakage

Low Void Filling =

Low Efficiency -

High Rate of Breakage

Low Residence Time

Mecanismos de molienda

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Ariane Martho, 2017

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Superficie específica vs. Compacidad

Intergrinding

• Grinding beyond 20 min brings about increase in specific surface without increasing packing. (excess grinding calcined clay?)

• GA decrease specific surface

Separate grinding

• Grinding beyond 20 min brings about increase in specific surface without increasing packing. (excess grinding calcined clay?)

• GA does not impact on specific surface

Distribución de Tamaño de Partículas vs. Compacidad

Intergrinding

• Grinding beyond 20 min brings about decrease in particle size surface without increasing packing. (grinding efficiency)

Separate grinding

• Grinding beyond 20 min does not change particle size neither impacts on packing (shorter grinding times?)

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Superficie específica vs. Tamaño de partícula

No grinding aids

• Incrementing grinding time decreases 28% Dv50% at the cost of increasing 11% Blaine

With grinding aids

• Adding grinding aids for the same grinding time decreases 11% Dv50% (dosage 3g) and Blaine decreases 17%

• Further increasing GA dosage increases Dv50% but decreases Blaine further

44

Impacto de intensificadores en la molienda del LC3

Reference: Effect of mechanical grinding on physical and

chemical characteristics of circulating fluidized bed fly ash

from coal gangue power plant.

Typical behavior of materials upon grinding

0

20

40

60

80

100

120

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 30 60 90 120 150 180 210

Var

iati

on

of

spec

ific

su

rfac

e ar

ea (

%)

Dv1

0 (µ

m)

Time (min)

DV10 and SSA vs grinding time

• Particle size of calcined clay decreases rapidly and the fine fraction stabilizes• Specific surface area of calcined clay is not a function of particle size Franco Zunino, 2018

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Impacto de los intensificadores sobre la resistenciaMolienda separada Intermolienda

Impacto de los intensificadores sobre la hidratación del cemento LC3

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• Strong effect of the addition of alkanolamines in the aluminate reaction, with DEIPA > TIPA > TEA• Despite the strong effect in the reaction of aluminates (but not on sulfate balance), no significant effect is

observed on the silicate peak

DEIPA : diethyl isopropanol amine

TEA : tri ethanol amine

TIPA : tri isopropanol amine

Alkanolamines Studied

Franco Zunino, 2018

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» Contexto en Cuba







Uso de aditivos para modificar la reología del hormigón

» LC3 normalmente demanda más agua (alta superficie específica de las arcillas)

» Por tanto, hay que adicionar más SPs

» Estos pueden tener un impacto negativo sobre la hidratación, y en general las propiedades en edades tempranas

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Impacto de los Superplastificantes (Lignina)

Prakash Nanthagopalan, IIT Bombay, India, 2016

Retención del asentamiento (Lignina)


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Impacto de los Superplastificantes (Sulfo-Naftaleno)


Retención del asentamiento (SNF)


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Impacto de los Superplastificantes (Poli-carboxilatos)


Retención del asentamiento (PCE)


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Impacto sobre tiempo de fraguado

Shashank Bishnoi, 2017

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Compatibilidad con intensificadores de molienda

• Flowability of LC3-50 incorporating calcined clay with ADVA GA approach CEM I behavior• Results suggests that the GA molecules are not only beneficial during grinding, but they remain active upon mixing

0

50

100

150

200

250

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Ave

rage

dia

met

er

(mm

)

PCE admix (%)

OPC w/c 0.5

no GA

Glycol Based

Amine Based

PCE Based

PCE Based 1.5%

Grinding aids are compatible with a commercial PCE based plasticizers!

Slump vs plasticizer (PCE) content (admixture demand)

Franco Zunino, 2018

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» Contexto en Cuba







Casos a estudiar

1. Caso 1: Se sustituye el 50% del cemento Portland por la adición mineral LC2

2. Caso 2: se utiliza la cantidad mínima de cemento Portland y se emplea LC2 como adición mineral

» 2a: usando SNF como SP

» 2b: usando PCE como SP

3. Caso 3: se sustituye cemento Portland mezclado por la adición LC2

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Caso 1: sustitución del 50% del cemento Portland por LC2

Concrete volume

Componentes de la mezcla 1 m3 Mix 0,35 m3

Cement 375 kg 131 kg

Water 150 L 53 L

Sand (Algaba) 869 kg 304 kg

Gravel (Nieves M.) 980 kg 343 kg

SP Dynamon SX-32 3,47 L 1,2 L

Water-cement ratio 0.4

Same amount SP for both concretes


0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

LC3 concrete P35 concrete

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h M

pa

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LC3 concrete

P35 concrete

No crackingNo bleeding orseggregation

Minor crackingSome bleedingand seggregation

Caso 2a: cemento mínimo puro + LC2 (usando SNF)

SeriesLC2

kg/m3

PC kg/m3

WaterLt.

w/bSand

Kg/m3

GravelKg/m3

SPLt.

slumpmm

Reference P35 0 420 165 0.45 927 867 2.8 195

LC2 2:1 17% 70 350 165 0.45 927 867 2.8 130

LC2 2:1 34% 140 350 165 0.45 927 867 2.8 145

Minimum PC content demanded by standard NC 120:2014= 350 kg/m3, Naphtalene based SP used

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Caso 2a: cemento mínimo puro + LC2 (usando SNF)

Reference PC PC min + 17%LC2 2:1 PC min + 34%LC2 2:1

24h 0 9 4.7

3d 12.00 11.70 13.70

7d 26.00 40.00 40.70

28d 35.00 46.70 52.70

0

10

20

30

40

50

60

70

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

Mp

a

Similar total binder content

Caso 2b: cemento mínimo puro + LC2 (usando PCE)

Mix design cementitious materials %LC2

Control 450 kg/m3 P-35 0

Mix 1 15%LC2 350 kg/m3 P-35 + 53 kg/m3 LC2 15

Mix 2 30% LC2 350 kg/m3 P-35 + 105 kg/m3 LC2 30

Mix 3 45%LC2 350 kg/m3 P-35 + 158 kg/m3 LC2 45

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Caso 2b: cemento mínimo puro + LC2 (usando PCE)

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Control Mix 1 15%LC2 Mix 2 30% LC2 Mix 3 45%LC2

Spre

ad (

cm)

15% LC2 30% LC2 45% LC2

Comparación Caso 2a y Caso 2b

15% LC2 30% LC2 45% LC2 Patrón

24 horas 21.2 20 17.2 25.1

3 días 34.7 35.2 32.9 38.4

7 días 46.4 47.9 46.8 48.2

90 dias 68.05 76.8 79.9 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h M

pa

Properties of concrete:

• Min cement content: 350 kg/m3

• Water to cement: 0.4• Spread: 55 cm

Reference PCPC min + 17%LC2

2:1PC min + 34%LC2

2:1

24h 0 9 4.7

3d 12.00 11.70 13.70

7d 26.00 40.00 40.70

28d 35.00 46.70 52.70

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h M

pa

Great impact on both early and late strength

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Impacto del tipo de cemento

Caso 3: cemento mezclado + LC2

Dv10% Dv50% Dv90%Blaine cm2/g

% clinquer a/aglom1d

MPa3d

MPa7d

MPa28dMPa

Cemento Portland 1.02 13.94 46.49 4830.79 67% 0.53 5.97 17.78 25.20 35.23Cemento Portland 90% + Sikafume 10% 60%LC3 intermolienda + GA + SP 0.6 4.6 28.98 11546.1 48% 0.53 12.51 19.96 34.14 41.12LC2 50% + Cemento Portland 50% 0.62 4.55 31.07 9000.4 34% 0.53 2.26 8.32 16.18 30.40LC2 15% + Cemento Portland 85% 57%LC2 30% + Cemento Portland 70% 47%LC2 45% + Cemento Portland 55% 37%

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Caso 3: cemento mezclado + LC2

Portland (Kg)

LC3-50 (Kg)

SP%

SF (Kg)

LC2 (Kg)

Sand(Kg)

Coarse(Kg)

Waterlt

W/B

M1 (Ref 1 100 % PC) 39.68 0.85 68.71 72.28 12.58 0.32

M2 (Ref 2 90 % PC + 10 % SF) 35.71 1.00 3.97 68.71 72.28 12.88 0.32

M3 (LC3-50 co-ground) 39.68 2.00 68.71 72.28 13.59 0.34

M4 (PC (85%) + LC2(15%)) 33.73 1.00 5.95 68.71 72.28 12.44 0.31

M5 (PC (70%) + LC2(30%)) 27.78 1.30 11.90 68.71 72.28 12.69 0.32

M6 (PC (55%) + LC2(45%) 21.82 1.50 17.86 68.71 72.28 13.09 0.33

Mix design for 80 liters

Caso 3: cemento mezclado + LC2. Reología

NTE INEN 1578

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Caso 3: cemento mezclado + LC2. Aire ocluido

Caso 3: cemento mezclado + LC2. Resistencia

Separate grinding (LC2)

CLK=66% CLK=60% CLK=48% CLK=57% CLK=47% CLK=37%

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» Contexto en Cuba







¿Cuál es la mejor opción?

The presence of calcined clay contributes to reducing porosity of the system and thus to improve durability in aggressive environments

So an increased presence of calcined clay is desired, especially in marine structures having the risk of corrosion

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Inmersión de morteros de LC3 1 y 2 años

Conventional ponding test (similar to ASTM C1543)

75

Exposure to 3% NaCl

Grinding layers

AgNO3 titration

LC3 mortars with Cuban clays (50% Kaolinite):

• 65 (1:1) performance is similar to OPC

• 65 (2:1) moderately improved

• 50 (2:1) shows the best performance

Slide H. Maraguechi

Refinamiento de la porosidad en los sistemas LC3

» Porosity of LC3 vs PC binders have been analyzed using Mercury Intrusion Porosimetry (MIP).

» LC3 binders with clays that contain 50% or more kaolinite content have very refined porosity system, which on the other hand increases resistance against diffusion of corrosive ions (e.g., Chloride, sulfate, etc.)

Slide from Francois Avet

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Reducción en el ingreso de cloruros en sitio de exposición

LC3-50 2:1

PC

Reducción en el ingreso de cloruros en sitio de exposición

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0 20 40 60 80

Ch

lori

de

con

cen

trat

ion

%

Depth mm

M32 PC 2018

M32 2015

M381 LC3 50 2018

M381 2015

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40

Resistividad

M-381 LC3 50 M32 PC

2016 18.5 6.1

2017 33.6 9.7

2018 56.52 13.23

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

Surf

ace

resi

stiv

ity

(kΩ)

Low corrosion risk

High corrosion risk

No corrosion observed in rebar at cores in LC3 concrete

Corrosion

(LC3) (PC)

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Carbonatación

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

2014 2015 2016 2017 2018 2019

Car

bo

nat

ion

dep

th m

m

Punta Matamoros Exp Class #1

M381 LC3 50

M32 PC

No major changes in carbonation

Conclusiones

» La presencia de arcillas calcinadas trae consigo beneficios en las propiedades mecánicas de los cementos formulados y la durabilidad de los hormigones, en especial los que la combinan con caliza.

» Sin embargo, la alta superficie específica de la arcilla calcinada incrementa la demanda de agua en cemento y hormigón.

» La utilización de ciertos intensificadores de molienda puede resultar en una disminución de la superficie específica, y una mejora de la distribución de tamaño de partículas.

» Durante el empleo en hormigones el uso de superplastificantes ayuda a mejorar la reología de las mezclas. El uso de PCE es el que brinda mejores resultados, incluyendo altas resistencias a muy tempranas edades.

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OTROS ASUNTOS DE INTERÉS

Inauguración de planta piloto de producción de LC3

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Introducción del LC3 en Las Américas

Ongoing investment

Ongoing LC3 studies

Planning LC3 studies

Production of calcined clays

Introdución del LC3 en el mundo

Ongoing investment

Ongoing LC3 studies

Planning LC3 studies

Production of calcined clays

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FICEM Panama, Sept. 2018: slot for LC3

87

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45

I Conferencia Internacional

Producción y uso Sostenible

del Cemento y Hormigón

Cayo Santa Maria, Villa Clara. Cuba

23-30 Junio 2019

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46

¡Muchas gracias por la atención!

LC3 PROJECT

Fernando Martirena

Project Director. Cuba

+53 5 263 7716

[email protected]

Universidad Central de las Villas

Carretera de Camajuani km 5

Santa Clara, CP 40832

Villa Clara. CUBA

Resultados recientes en la aplicación del cemento LC3 en la fabricación de … · 2019-01-07 ·...

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