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CAPITULO II

2.1.       INTRODUCCION:

La adecuada selección de los materiales para la producción de concretos de alto desempeño es mas exigente que para concretos convencionales, un adecuado control de calidad de estos debe llevarse a cabo, debiendo cumplir estos todos los requerimientos y especificaciones. Actualmente el concreto ha sido definido como un sistema de 5 componentes: cemento, agregados, agua, aditivos y adiciones, esta definición de un concreto se ajusta perfectamente a los requerimientos de los concretos de alto desempeño, todas las propiedades del concreto estarán basadas en las variaciones del tipo y cantidad de estos materiales.

TABLA 2.1. El concreto como un sistema de 5 componentes.

En la tabla 2.1. se muestran a los 5 componentes del concreto con algunas de sus variables, el análisis de estas para la selección de los materiales conjuntamente con una dosificación adecuada lograran los requerimientos deseados.

En este capitulo se desarrolla cada uno de estos componentes, tratando de ser una guía para la selección de estos, para posteriormente realizar la selección de las proporciones que se desarrolla en los capítulos posteriores.

2.2.       CEMENTO:

La elección del tipo de cemento Pórtland a usarse es muy importante para los concretos de alto desempeño,  estos deben cumplir con las normas como la ASTM C 150 o C 595, por ser el cemento el componente mas activo del concreto, y teniendo en cuenta que todas las propiedades del concreto dependen de la cantidad y tipo de cemento a usarse es que la selección del tipo a usarse y una adecuada dosificación son muy importantes.

2.2.1.              Propiedades químicas.-

2.2.1.1.  Composición química.-

Las materias primas constituyentes del cemento son principalmente cal, sílice, alumina y oxido de hierro. Durante el proceso de producción del cemento estos compuestos interactúan para luego formar una serie de productos más complejos (silicatos cálcicos, aluminatos cálcicos y ferritos) que alcanzan un estado de equilibrio químico, con la excepción de un residuo de cal no combinada la cual no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar esta es denominada como cal libre.

Para obtener una ideal general de la composición del cemento, la tabla 2.2. nos indica los límites de la mezcla de los diferentes óxidos de los cementos Portland.

TABLA 2.2. Límites de composición aproximados para cemento Pórtland

Dada la complejidad de la composición química del cemento, se entiende por esta a la química de los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros e hidratados. Las formulas se expresan usualmente como suma de óxidos por ejemplo:

3CaO + SiO₂ = Ca₃SiO₅ = C₃S

En la expresión anterior tenemos la formación del silicato tricalcico, la ultima expresión es la forma simplificada más usada para la denominación de estos compuestos. Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un liquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material intersticial que contiene C₄AF y otros compuestos secundarios.

Estos compuestos, denominados potenciales, no son verdaderos compuestos en el sentido químico pues  no se encuentran aislados sino en fases las que contienen algunas impurezas, sin embargo las proporciones calculadas de estos compuestos revelan valiosa información en cuanto a las propiedades del cemento.

2.2.1.1.1.           Silicato tricalcico (C₃S).-

También denominado Alita, es la fase principal en la mayoría de los clinkeres Pórtland, y se compone de 73.7% de cal y 26.3% de ácido silícico. Este compuesto presenta cristales poligonales bien formados, con dimensiones que varían según el grado de cristalización, siendo bien desarrollados cuando la cocción ha tenido lugar a temperatura suficientemente elevada y durante bastante tiempo, así como en presencia de una cantidad adecuada de fase liquida.

El silicato tricálcico contribuye de manera muy importante a las resistencias iniciales, siendo su velocidad de hidratación alta, así también desarrolla una alto calor de hidratación, se estima que su calor de hidratación completa en 120 cal/gr.

Experimentalmente se ha comprobado que los concretos elaborados con cementos con mayor porcentaje de silicato tricálcico presentan una mejor acción a los ciclos de hielo y deshielo. Se recomienda su uso en zonas de climas fríos dado su alto calor de hidratación, sin embargo no en construcciones masivas por la baja estabilidad volumétrica que pueden producir.

2.2.1.1.2.           Silicato bicálcico (C₂S).-

También denominado Belita, es la segunda fase en importancia en el clinker, y se compone de 65.1% de cal y 34.9% de ácido silícico. Este compuesto presenta cristales relativamente anchos, de contornos redondeados  y tamaño variable.

El silicato bicálcico tiene una lenta velocidad de hidratación y desarrollo de calor bajo, 62 cal/gr, dada su lenta velocidad de endurecimiento, la contribución del silicato bicálcico a las resistencias iniciales es muy pequeña, siendo su efecto posterior la fuente principal de resistencia. Su estabilidad química es bastante buena, por lo que el uso de cementos con alto contenido de silicato bicálcico para producir concretos resistentes al ataque de sulfatos es muy recomendable.

2.2.1.1.3.           Aluminato tricálcico (C₃A).-

El aluminato tricálcico se compone de 62.3% de cal y 37.7% de alúmina. Este compuesto presenta un color oscuro ante el examen microscópico del clinker, después de los álcalis, los aluminatos son los compuestos del cemento que primero reaccionan con el agua. Su fraguado ocurre a una velocidad de hidratación muy alta, hasta el punto de ser casi instantáneo, es por esta razón que la adición de sulfato de calcio se hace necesaria para controlar esta velocidad de hidratación.

El aluminato tricálcico contribuye en las resistencias durante las primeras horas, su calor de hidratación es muy elevado 207 cal/gr.

Tanto la resistencia del concreto a ciclos de hielo y deshielo asi como su resistencia al ataque de sulfatos tiende a disminuir conforme se incrementa el contenido de aluminato tricálcico en el cemento. El aluminato tricálcico es muy sensible a la acción de sulfatos y cloruros, debido a la formación de sales del tipo sulfoaluminatos y cloroaluminatos, la formación de estas sales es de carácter expansivo, pudiendo originar agrietamiento y desintegración del concreto. La forma de ataque es por reacción del sulfato de calcio con el hidroaluminato tricálcico resultante de la hidratación del aluminato tricálcico, favoreciendo la formación del llamado bacilo del cemento químicamente sulfoaluminato de calcio hidratado, este compuesto es la causa de las formas más peligrosas de corrosión del concreto. Se recomienda un contenido máximo de aluminato tricálcico es del orden de 7%.

2.2.1.1.4.           Ferroaluminato tetracálcico (C₃A).-

El ferroaluminato tetracálcico se compone de 46.1% de cal, 21% de alúmina y 32.9% de oxido de hierro. También es denominado Celita clara o Ferrito. Este compuesto presenta un calor de hidratación de 100 cal/gr y una alta estabilidad química, los cementos ricos en este compuesto tienen condiciones de empleo especificas en todos aquellos casos en que importe más la durabilidad frente a los agresivos químicos que las resistencias mecánicas.

2.2.1.2.      Características químicas de los cementos utilizados en este trabajo.-

TABLA 2.3. Especificaciones químicas para el cemento Pórtland  tipo I

TABLA 2.4. Especificaciones químicas para el cemento Pórtland  tipo IP

2.2.1.3.  Análisis semicuantitativo por microscopia .-

Mediante el uso de un microscopio electrónico se realizo el análisis semi-cuantitativo de los cementos comercializados en la región, como son el cemento tipo I y el cemento tipo IP.

TABLA 2.3. Características químicas obtenidas del análisis semi-cuantitativo y características dadas por los fabricantes para el cemento tipo I.

Los resultados del análisis semi-cuantitativo por microscopia muestran una aproximación bastante buena a los datos proporcionados por los fabricantes de cemento, cabe mencionar que a diferencia del análisis por rayos X, el cual es empleado por los fabricantes para la producción del cemento, el análisis semi-cuantitativo presenta un mayor error en su determinación de la cantidad de cada uno de los compuestos. En la siguiente figura observamos el espectro producido durante el análisis para el cemento  tipo I.

Fig. 2.1. Espectro de análisis semi-cuantitativo para el cemento tipo I.

Fig. 2.2. Fotografía obtenida por microscopia del cemento tipo I.

Fig. 2.3. Fotografía obtenida por microscopia del cemento tipo I.

TABLA 2.4. Características químicas obtenidas del análisis semi-cuantitativo y características dadas por los fabricantes para el cemento tipo IP.

Al igual que para el cemento tipo I los resultados para el cemento tipo IP, muestran bastante correlación, sin embargo es necesario destacar la presencia de álcalis en el cemento tipo IP, según el análisis semi-cuantitativo.

Fig. 2.4. Espectro de análisis semi-cuantitativo para el cemento tipo IP.

Fig. 2.5. Fotografía obtenida por microscopia del cemento  tipo IP.

Fig. 2.6. Fotografía obtenida por microscopia del cemento  tipo IP.

Fig. 2.7. Fotografía obtenida por microscopia del cemento tipo IP para el análisis puntual.

TABLA 2.5. Análisis semi-cuantitativo del punto A mostrado en la Fig. 2.7. para el cemento  tipo IP.

Del análisis de los datos obtenidos para la partícula señalada con el punto A, podemos decir que se trata de un silicato bicálcico, dada su composición muy próxima a lo especificado anteriormente.

TABLA 2.6. Análisis semi-cuantitativo del punto B mostrado en la Fig. 2.7. para el cemento  tipo IP.

Del análisis de los datos obtenidos para la partícula señalada con el punto B, podemos decir que esta constituida por mayormente por sílice y alumina, no existiendo calcio en su composición, y destacando la presencia de álcalis.

2.2.1.5.      Hidratación del cemento.-

La reacción mediante la cual el cemento Portland se transforma en un agente de enlace, se produce en una pasta de cemento y agua, generada por los procesos químicos responsables de la formación de compuestos. En otras palabras, en presencia del agua los silicatos y aluminatos forman productos de hidratación, los cuales, con el paso del tiempo, producen una masa firme y dura que se conoce como pasta de cemento endurecida.

La hidratación comienza en los granos de cemento después de cierto tiempo de estar en contacto con el agua en la superficie de las partículas de cemento, similarmente a la corrosión de un metal. Luego con el tiempo, esta superficie de reacción se mueve gradualmente mas profundamente en el interior de la partícula de cemento. Al entrar en contacto con la parte no hidratada de las partículas el agua reacciona con esta y disuelve una porción. Esta solución difusa supersaturada sale de la superficie de reacción hacia los poros mas grandes (capilares) a través de los muy pequeños poros (gel) de la malla de sólidos creada inicialmente por los productos de la hidratación. Estos nuevos productos de la hidratación precipitan en la solución en el aire o en los poros llenos de agua que son lo suficientemente largos para permitir la nucleación de una nueva fase sólida y formar una superficie floculante. Además el material hidratado puede ser categorizado como interior y exterior, siendo el interior una estructura mas densa que la exterior, a pesar de que su composición es casi la misma (fig.2.9).

Fig. 2.9. Esquema bidimensional del proceso de hidratación de las partículas de cemento Pórtland en una pasta compacta a edad temprana. Las líneas punteadas representan la superficie original de las partículas, el área rayada los productos de la hidratación,  y las áreas negras la porción remanente no hidratada de las partículas; el área blanca, los poros capilares llenos con agua:

Cualquiera que sea la forma de precipitación de los productos de la hidratación, la velocidad de hidratación disminuye continuamente, de modo que, aun después de transcurrido mucho tiempo, permanece una buena cantidad de cemento deshidratado.

Las propiedades físicas de los hidratos de silicato de calcio revisten interés en relación con las propiedades de fraguado y endurecimiento del cemento. Estos hidratos suelen describirse como amorfos, mientras que el Ca (OH)₂ liberado por la hidrólisis de los silicatos de calcio forma placas hexagonales delgadas, frecuentemente de varias decenas de mm de ancho, pero posteriormente se fusionan en un depósito masivo.

Fig. 2.10. Pasta de cemento hidratada: Ca(OH)₂ y C-S-H.

Es interesante describir el rol del C₃A durante la hidratación del cemento, si bien un contenido elevado de este compuesto puede producir una perdida rápida de trabajabilidad por el rápido crecimiento de sus hidratos (etringita), entre las partículas de cemento, cuando es usa relaciones agua/cemento bajas; un efecto muy interesante se da cuando es usado en relaciones agua cemento altas, un cemento con un alto contenido de C₃A tendrá mayores resistencias iniciales que uno con bajo contenido de C₃A, este proceso se describe esquemáticamente en las figuras 2.11 y 2.12.

Podemos a través de los esquemas mostrados en la Fig 2.10 y 2.11 describir el mecanismo por el cual las mezclas con menor relación agua/cemento obtienen mayor resistencia mecánica, pues dada una menor cantidad de agua la separación entre partículas será menor y habrá mayor enlace entre los C-S-H de las partículas de cemento, produciendo una mayor adherencia entre ellas.

Fig. 2.11. Representación esquemática de la hidratación de la pasta con una alta relación a/c  hecha con un cemento Pórtland con alto contenido C₃A.

2.2.1.6.  Estructura de la pasta de cemento fresca:

La estructura de la pasta de cemento fresca tiene los mayores efectos en la estructura y propiedades de la pasta endurecida. La estructura inicial parece depender de las fracciones volumétricas, granulometría, composición química y la presencia de aditivos. Esta estructura hace plástica a la pasta, sin perder continuidad y reteniendo una forma. Esto por que las partículas de cemento y las burbujas de aire están dispersas en una solución acuosa, y especialmente por que las fuerzas interparticulares tienden a unir las partículas. Esto también causa un estado de floculación en la pasta de cemento. Específicamente, el estado plástico es debido a la coexistencia de fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas de cemento. La atracción es debida a un amplio rango de fuerzas intermoleculares conocidas como fuerzas de Van der Waals. Las fuerzas de repulsión son debidas a:

Fig. 2.12. Desventajas del uso  de un cemento Pórtland con bajo contenido C₃A con una alta relación a/c .

·        La repulsión electrostática que es causada por los iones negativos que se encuentran sostenidos por iones positivos cerca de cada partícula de cemento por iones positivos selectivamente absorbidos de la solución acuosa circundante.

·        Las moléculas de agua absorbidas que cubren la superficie de las partículas de cemento.

Como resultado de estas fuerzas de oposición, el sistema de partículas logra un equilibrio, el cual hace capaz a la pasta de mostrar cierta firmeza o resistencia al corte, pero en un bajo grado.

La pasta de cemento puede ser ablandada por disminución de los acomodos potenciales. Esto puede ser realizado usando mas agua o un agente activador de superficie (aditivos plastificantes y superplastificantes) el cual es capaz de incrementar la repulsión.

Resumiendo la pasta de cemento puede ser considerada como una suspensión concentrada de partículas dispersas o como sólido poroso permeable y débil conteniendo capilares llenados con una solución acuosa.

2.2.1.7.  Volúmenes de productos de hidratación:

Como se menciona anteriormente la pasta de cemento fresca es una suspensión de partículas de cemento en agua, por lo cual el espacio total disponible para los productos de hidratación está compuesto por el volumen absoluto del cemento seco junto al volumen de agua que se añade a la mezcla. Durante la hidratación el volumen de los productos de hidratación es menor que la suma de los volúmenes originales de agua y cemento, según los cálculos realizados por Neville, es necesario una relación agua/cemento de 0.36 para alcanzar la hidratación total del cemento, sin embargo esta relación suele ser muy baja por las cambios ocasionados en el volumen por procesos como la exhudación y la evaporación, otros investigadores recomiendan el valor de 0.38.

Entonces en relaciones agua / cemento menores a 0.38 tendremos cemento que nunca llegara a hidratarse, es necesario agregar que este cemento no hidratado no es perjudicial a la resistencia y, de hecho, entre pastas que tienen una relación gel/espacio igual a 1.0, y las que tienen mayor proporción de cemento no hidratado (es decir, una relación menor agua/cemento) tienen mayor resistencia, posiblemente debido a que en esas pastas las capas de pasta hidratada que rodean los granos no hidratados son más delgadas. Abrams obtuvo resistencias del orden de 2 810 kg/cm² (280 MPa) para mezclas con relación agua/cemento de 0.08 por peso. Sin embargo, está claro que con tales proporciones se necesita considerable presión para obtener una mezcla compactada de manera adecuada.

2.2.1.8.  Estructura del pasta de cemento endurecida:

Muchas de las propiedades mecánicas del cemento y del concreto endurecidos parecen depender no tanto de la composición química del cemento hidratado, sino más bien de la estructura física de los productos de hidratación, vistos a nivel de sus dimensiones coloidales. Por esta razón, es importante tener una imagen clara de las propiedades físicas del gel de cemento.

La pasta de cemento fresco es una retícula plástica de partículas de cemento en agua, pero una vez que la pasta ha fraguado, su volumen aparente o bruto permanece aproximadamente constante. En cualquier etapa de hidratación la pasta endurecida consta de hidratos de varios compuestos, denominados colectivamente como gel de cristales de Ca(OH)₂, algunos componentes menores, cemento no hidratado y residuos de los espacios rellenos de agua en la pasta fresca. Estos huecos se denominan poros capilares, pero dentro del gel mismo existen huecos intersticiales llamados poros de gel. Por lo tanto, en una pasta deshidratada hay dos clases distintas de poros, que se representan en forma esquemática en la figura 2.12 y que se describen mas ampliamente posteriormente.

Puesto que la mayoría de los productos de hidratación son coloidales la relación por peso de los hidratos de silicato de calcio con el CA(OH)₂ es de 7:2, el área superficial de la fase sólida aumenta enormemente durante la hidratación, y gran cantidad de agua libre es adsorbida en esta superficie. Si no se permite el movimiento de agua hacia la pasta de cemento o desde ella, las reacciones de hidratación consumen el agua, hasta que queda demasiado poca para saturar la superficie sólida, lo cual disminuye la humedad relativa dentro de la pasta; esto se conoce como autodesecación. Puesto que el gel sólo se puede formar en espacios llenos de agua, la autodesecación causa una hidratación menor, comparada con la de una pasta curada en humedad, este ultimo concepto adopta especial importancia en los concretos con bajas relaciones agua/cemento, es por esta razón que se adicionan otros materiales, para reducir la cantidad de cemento y lograr una adecuada estabilidad volumétrica. 

Fig. 2.14. Composición de la pasta de cemento fresca y endurecida en la máxima hidratación para varias relaciones a/c .

2.2.1.9.      Porosidad en la pasta de cemento:

§         Poros capilares

En cualquier estado de hidratación los poros capilares representan la parte del volumen bruto que no ha sido llenado por los productos de hidratación. Puesto que estos productos ocupan más del doble del volumen de la fase original sólida (es decir, el cemento), el volumen del sistema capilar se reduce a medida que avanza la hidratación.

La porosidad capilar de la pasta depende tanto de la relación agua/cemento de la mezcla como del grado de hidratación. La velocidad de hidratación del cemento no tiene importancia por sí misma, pero el tipo de cemento influye en el grado de hidratación alcanzado a determinada edad. Como se mencionó anteriormente, una relación de agua/cemento superior a cerca de 0.38 de volumen de gel no es suficiente para llenar todos los espacios disponibles, por lo cual quedarán volúmenes de poros capilares incluso después de haberse completado el proceso de hidratación.

Los poros capilares no pueden verse directamente, pero su tamaño se ha calculado por medio de medidas de presión de vapor, y se suponen del orden de alrededor de 1.3 mm. Su forma es variable, pero como está de mostrado por la medición de permeabilidad, forman un sistema interconectado con distribución aleatoria a través de la pasta de cemento.

Los poros capilares interconectados constituyen la causa principal de la permeabilidad de la pasta de cemento endurecida, así como de su vulnerabilidad a las heladas.

§         Poros del gel

El gel es poroso desde que el puede retener agua evaporable, pero sus poros son realmente espacios intersticiales interconectados en las partículas de gel. Los poros de gel son mucho más pequeños que los capilares: tienen entre 15 y 20 A de diámetro equivalentes a una molécula de agua. Por esta razón, la presión del vapor y la movilidad del agua adsorbida son diferentes a las propiedades correspondientes del agua libre. La cantidad de agua reversible índica directamente la porosidad del gel.

Los poros del gel ocupan alrededor de un 25 a 28% del volumen total del gel. El valor real es característico para un cemento dado pero, en gran parte, es independiente de la relación agua/cemento de la mezcla y del avance de la hidratación. Esto indicaría que se forma gel de propiedades similares en todas las etapas y que una hidratación continua no afecta los productos ya existentes. De este modo, al aumentar el volumen total de gel con el avance de la hidratación, el volumen total de los poros del gel también aumenta. Por otra parte, como ya se ha mencionado, el volumen de los poros capilares disminuye al avanzar la hidratación.

A partir de medidas de adsorción de agua, se ha estimado la superficie específica del gel en el orden de 5.5. x 108 m² x m³,  o aproximadamente 200 000 m²/kg. Las mediciones recientes con dispersión de rayos X de ángulo reducido, proporcionaron valores del orden de 600 000 m²/kg, indicando con esto la existencia de una gran superficie interna dentro de las partículas. Por el contrario, el cemento no hidratado tiene una superficie específica de 200 a 500 m²/kg.

TABLA 2.7. Clasificación de los poros de la pasta de cemento de acuerdo al tamaño.

2.2.1.10. Calor de hidratación del cemento

El proceso de hidratación es un proceso exotérmico, lo cual hace que los concretos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura; este incremento es importante en concretos masivos, debido a que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso térmico, se origina contracción del material, que puede conducir a graves agrietamientos. Este mismo efecto es uno de los principales problemas en los concretos con bajas relaciones de agua/cemento, dado que la cantidad de cemento se incremento y consecuentemente la temperatura del concreto también se incrementa, esta es una de las razones para el uso de adiciones reemplazando a porcentajes del concreto.

El calor de hidratación es la cantidad de calor, en calorias por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. El calor de hidratación depende de la composición quimica del cemento  y es aproximadamente igual a la suma de los calores de sus componentes.

2.2.2.           Propiedades físicas y mecánicas.-

Las propiedades físicas y mecánicas del cemento Pórtland permiten complementar las propiedades químicas y conocer otros aspectos de su bondad como material cementante.

2.2.2.1.  Peso especifico.-

El peso especifico del cemento corresponde al material en estado compacto. Su valor suele variar para los cementos Pórtland normales entre 3.0 y 3.2. En el caso de cementos adicionados el valor es menor de 3.0 y depende de la finura del material adicionado.

Es por su menor peso especifico que los cementos Pórtland adicionados proporcionan una mayor cantidad de pasta para un mismo peso de cemento, esto mejora la características de trabajabilidad de los concretos elaborados con estos cementos.

2.2.2.2.  Superficie especifica (finura).-

La finura de un cemento es función del grado de molienda del mismo y esta íntimamente ligado a su valor hidráulico. Puesto que la hidratación de los granos d cemento ocurre desde la superficie hacia el interior, el área superficial total de las partículas de cemento constituyen el material de hidratación. La importancia de la finura de un cemento radica en la influencia que puede tener sobre la velocidad de hidratación, la resistencia inicial y el calor generado.

La fragua de los cementos es más rápida y el agrietamiento más temprano conforme son más finos. La exhudación disminuye conforme la fineza se incrementa; y la absorción se incrementa con el grosor del grano.

La resistencia a la compresión se incrementa mas que la resistencia a la tensión conforme aumenta la fineza del cemento. La resistencia a la compresión esta relacionada a la resistencia a la flexión como la raíz cuadrada de la superficie especifica. La contracción parece ser una función lineal de la superficie especifica y el agrietamiento puede relacionarse con el grado de desarrollo de resistencia del concreto y en general, los cementos que ganan rápidamente su resistencia son los más propensos a agrietarse. Al aumentar la fineza de cualquier cemento aumenta su velocidad para desarrollar resistencia y así indirectamente, el riesgo de grietas por contracción.

Troxell ha encontrado que la parte más activa de un cemento es el material de diámetro menor de 10 a 15 micrones. Y desde que el área superficial varia con el cuadrado del diámetro de una partícula, un incremento de material en esta amplitud de tamaños es mucho más efectiva en el incremento de la superficie especifica, y por tanto de la actividad de un cemento, que una correspondiente reducción en algunas de las fracciones más gruesas.

Para determinar la finura de un cemento existen diferentes métodos entre ellos tenemos: el prueba de Blaine y el turbidimetro Wagner.

2.2.2.3.  Fraguado.-

Este es el término utilizado para describir la rigidez de la pasta del cemento, aun cuando la definición de rigidez de la pasta puede considerarse un poco arbitraria. En términos generales el fraguado se refiere a un cambio del estado fluido al estado rígido. Aunque durante el fraguado la pasta adquiere cierta resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último término se refiere al incremento de resistencia de una pasta de cemento fraguada.

El proceso de fraguado va acompañado de cambios de temperatura en la pasta del cemento: el fraguado inicial corresponde a un rápido aumento en temperatura y el final, al máximo de temperatura. En este momento también se produce una fuerte caída en la conductividad eléctrica, por lo que se han realizado algunos intentos de medir el fraguado por medios eléctricos.

2.2.2.4.  Resistencias mecánicas.-

La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que posiblemente resulta más obvia en cuanto a los requisitos para usos estructurales. Por lo tanto, no es sorprendente que las pruebas de resistencia estén indicadas en todas las especificaciones del cemento.

La resistencia de un cemento es función de su fineza, composición química, grado de hidratación, así como del contenido de agua de la pasta. La velocidad de desarrollo de la resistencia es mayor durante el periodo inicial de endurecimiento y tiende  a disminuir gradualmente en el tiempo. El valor de la resistencia a los 28 días se considera como la resistencia del cemento. Anteriormente se ha indicado, de que manera se desarrolla el proceso de endurecimiento del cemento.

2.2.2.5.  Compacidad de los cementos.-

La compacidad es una característica usualmente asociada a la mecánica de suelos, sin embargo la particularidad de las mezclas de concreto de usar materiales granulares abarcan este concepto, el cual ha sido recientemente usado para caracterizar a los cementos y su interacción con los aditivos plastificantes y superplastificantes. La compacidad y porosidad de los materiales finos como el cemento no puede ser medida en seco como en caso de las gravas y arenas. En efecto es indispensable tomar en cuenta la floculación generada en presencia del agua, y el efecto defloculante de los superplastificantes o plastificantes que son utilizados en el concreto.

Para esto se desarrollo el ensayo de demanda de agua, bajo el principio siguiente: en una mezcla de peso Pp de cemento con una cantidad de agua Pe necesaria para hacer pasar la mezcla de un estado de tierra húmeda a un estado de pasta homogénea, esta cantidad de agua es considerada como la cantidad que llena la porosidad del acomodo de los granos. En este caso, la compacidad (o demanda de agua) de los materiales cementicios es determinada por la ecuación siguiente:

donde d es el peso especifico del cemento en kg/m³.

La dificultad de este método reside en el reconocimiento visual del cambio al estado de pasta homogénea. Las fotos de la figura 2.14 presentan la diferencia en los estados obtenidos, en el momento del ensayo de demanda de agua en un cemento. Pasamos de un material del tipo de tierra húmeda, a un estado de pequeños floculos brillantes, entonces bruscamente por el incremento de una pequeña cantidad de agua, obtenemos una pasta homogénea.

Fig. 2.14. Del estado de floculós húmedos al estado de pasta homogénea

Sin embargo para ciertos ultra finos como la microsílice, la medida puede ser un poco mas delicada. En efecto, el estado intermedio de pequeños floculós húmedos no es visible y es reemplazado por una pasta aglomerada heterogénea. Un aumento de agua permite el paso a el estado de una pasta compacta pero homogénea. Este es el punto que corresponde a la demanda de agua.  Un aumento mas de agua producirá un material con aspecto de un gel, pero que no fluye.

Procedimiento del ensayo:

El método adoptado para el ensayo es el siguiente:

·      Preparar una reserva de agua medida a 20°C. ± 2 ºC

·      Una peso de los finos de Pp = 350 g es mezclada en una mezcladora de mortero  con una cierta cantidad de agua estimada a priori por la ecuación de la demanda de agua y según sea el caso la inclusión del superplastificante o del plastificante. El agua y el aditivo son colocados primero. La mezcla se efectúa en una mezcladora de mortero el que se habrá humedecido (recipiente y pala). El ciclo del mezclado es el siguiente: un minuto a una velocidad pequeña, quince segundos para una parada para acomodar la mezcla del recipiente con la ayuda de una paleta, después  un minuto a mayor velocidad.

·      Durante el mezclado a gran velocidad, se ajusta el agua con la ayuda de un gotero (como en la fig. 2.15). Cada incremento es separado por un minuto. Cuando la pasta homogénea es obtenida, el peso del gotero nos da la cantidad de agua que se ha agregado.

·      El ensayo es repetido con una cantidad de agua ligeramente inferior al total obtenido durante el primer ensayo.

·      La compacidad de los finos es calculada a partir del promedio de al menos dos ensayos, para los cuales la cantidad de agua incrementada es inferior a 5g. Notemos que Pe, en la ecuación representa el agua total incrementada mas el agua inicial.

Fig. 2.15. Ajuste del agua en el ensayo  de demanda de agua.

El ensayo de demanda de agua fue realizado probando el efecto de tres aditivos plastificantes y superplastificante con los cementos  tipo I y IP, las características de los aditivos usados se describirán posteriormente en el presente capitulo.

Se probo diferentes dosificaciones de aditivo con variaciones de 0.5% hasta 2%, con ambos tipos de cementos, los resultados obtenidos se muestran en las tablas siguientes:.

TABLA 2.7. Resultados del ensayo de demanda de agua para el cemento YURA tipo I

TABLA 2.8. Resultados del ensayo de demanda de agua para el cemento YURA tipo IP

Se encontró una compacidad de 0.554 para el cemento tipo IP y de  0.553 para el cemento tipo I, los resultados nos muestran el efecto defloculante de los aditivos plastificantes y superplastificantes, los que nos producen un aumento significativo en la compacidad de la pasta por el efecto de dispersión que generan en los granos de cemento. De los resultados para el cemento tipo I se puede observar que el uso del aditivo viscocrete 1 al 2% incremento la compacidad del acomodo en un 25.3%, teniendo la compacidad para este nuevo acomodo defloculado un valor de 0.650, mientras que para el aditivo HE 98, la compacidad aumento en 19.4% a un valor de 0.620. En el caso del cemento tipo IP las compacidades aumentaron de manera similar al cemento tipo I, sin embargo se destaca la formas de las curva para el aditivo HE 98 el cual muestra un pico de máxima compacidad, en alrededor de 1% de adición de aditivo, este punto puede ser considerado como el de máximo uso del aditivo o como el punto optimo de utilización, la curva del aditivo viscocrete 1 también muestra la misma tendencia a partir del 1.5%.

En los gráficos siguientes se observa como las curvas de demanda de agua, son una alternativa para encontrar la dosis optima de aditivo plastificante o superplastificante.

Fig. 2.16. Curvas de demanda de agua para el cemento  tipo I.

Fig. 2.17. Curvas relación agua/cemento necesaria para lograr una pasta homogénea vs el porcentaje de aditivo utilizado para el cemento  tipo I.

Fig. 2.18. Reducción de la porosidad aparente del acomodo de los granos de cementos según el porcentaje de aditivo, en el ensayo de demanda de agua para el cemento tipo I.

Fig. 2.19. Curvas de demanda de agua para el cemento  tipo IP.

Fig. 2.20. Curvas relación agua/cemento necesaria para lograr una pasta homogénea vs el porcentaje de aditivo utilizado para el cemento  tipo IP.

Fig. 2.18. Reducción de la porosidad aparente del acomodo de los granos de cementos según el porcentaje de aditivo, en el ensayo de demanda de agua para el cemento tipo IP.

2.2.3.              Resumen general de criterios para la elección del cemento a usar.-

Como ya mencionamos anteriormente la elección del tipo de cemento Pórtland es muy importante para concretos de alto desempeño, no solo la resistencia del tipo del cemento es importante sino también su uniformidad. Existen numerosos estudios los cuales han determinado la influencia de los diferentes tipo de cemento, así como de sus características físicas y químicas, en la efectividad de los aditivos y adiciones.  A pesar que los ensayos de resistencia del cemento nos dan una buena indicación del tipo de cemento a usar, es conveniente realizar ensayos de prueba con los materiales y el slump requerido, determinando las resistencias a los 7, 14, 28 días. Recomendaciones especificas son necesarias según las condiciones de servicio a las que serán sometidos los concretos. Mehta y Aitcin indican que debe considerarse seriamente el uso de cementos adicionados por su capacidad de reacción de las puzolanas con los hidratos de calcio, que hacen de los concretos elaborados con estos cementos más durables, reduciendo la permeabilidad a los agentes externos como el agua, el ion cloruro y el ataque de sulfatos, así también estos concretos tendrán una mayor estabilidad volumétrica y un menor calor de hidratación, dependiendo de la adición del cemento este también podrá alcanza mayores resistencias en edades avanzadas. Sin embargo destacamos que son los requerimientos del proyecto ya sean de resistencia o durabilidad los que determinen el tipo de cemento a usar.

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Révision : 06 avril 2007.