El documento describe los componentes y procesos de fabricación del cemento y el hormigón. Resume que el cemento se fabrica a partir de caliza y arcilla que son calentadas en un horno rotatorio para formar clinker, el cual es luego molido para formar cemento Portland. El hormigón se compone principalmente de cemento, agua y áridos y sus propiedades dependen de la proporción y reacción química de estos componentes.

1. Tecnología del Hormigón

2. Materias Materiales Componentes del Hormigón Cemento Agua Áridos Aditivos Propiedades del Hormigón Fresco Trabajabilidad Agrietamiento Plástico Moldeo de probetas Dosificación del Hormigón Métodos de dosificación Uso del Hormigón en obra Fabricación Transporte Colocación Curado Propiedades del Hormigón endurecido Resistencias Ensayos Control de calidad del Hormigón Control del hormigón en sitio Testigos Métodos no destructivos Evaluaciones Estadísticas

3. HISTORIA Para los fines de la construcción, un conglomerante es un material capaz de desarrollar, después que se han producido las reacciones químicas apropiadas, las propiedades adhesivas y cohesivas que hacen posible ligar fragmentos minerales para producir una masa compacta, continua y resistente.

4. El 2.000 a.c. los egipcios usaron como conglomerante para sus construcciones la cal viva. También los Romanos, mezclando tierras puzolánicas con cal viva, obtuvieron una mezcla de gran solidez y resistencia al agua, que es lo que ha hecho que sus construcciones perduren hasta hoy. En Chile los primeros hornos de cal se instalaron en Calera y gracias a ellos se hizo la construcción del Fuerte Corral en 1764 y otras edificaciones coloniales. Las cales utilizadas en Santiago procedían de Polpaico, Calera de Tango y Lo Aguirre, y se emplearon en el Puente de Cal y Canto, La Casa de Moneda, Los Tajamares del Mapocho y otras obras.

5. En 1756 el ingeniero inglés John Smeaton hizo experimentos destinados a determinar las causas por las cuales ciertas cales endurecían bajo agua y poseían diferentes velocidades de endurecimiento. Pero fue Parker quien en 1796 inventó un conglomerante que era capaz de endurecer al ser mezclado con agua, Pulverizando piedras quemadas que contenían vetas de arcilla. Hoy en día existe una gran variedad de conglomerantes, siendo los más relevantes los calcáreos y los bituminosos

6. En el primer grupo el más importante es el cemento Pórtland, cuya creación se le asigna a Joseph Aspdin (1824), quien por casualidad produjo una mezcla parecida en el color a las rocas de Pórtland, lo que le valió ese nombre a este cemento que se usó por primera vez en 1838 para la construcción de uno de los primeros túneles bajo el Támesis en Londres. En el grupo de los bituminosos están por ejemplos los cementos asfálticos, emulsiones asfálticas, asfaltos cortados.

7. Cemento Pórtland clase de cementos hidráulicos, cuyos principales componentes están formados por cal y sílice y, en menor cantidad, por alúmina y fierro y que en presencia de agua reaccionan para formar finalmente una masa dura que contiene silicatos y aluminatos de calcio hidratados. El uso del cemento Pórtland continuó extendiéndose con lentitud, hasta que se ha convertido en el material más usado en las construcciones. Con el perfeccionamiento en la fabricación de cementos hidráulicos y con las calidades obtenidas, las estructuras de hormigón armado, que se han incrementado considerablemente , culminando con el hormigón pretensado y postensado.

8. Para definir el HORMIGON diremos que es un material compuesto esencialmente de un medio conglomerante dentro del cual están incrustadas partículas o fragmentos de áridos. En el hormigón de cemento Pórtland, el conglomerado es una pasta de cemento Pórtland y agua .

9. PRINCIPALES COMPONENTES DEL HORMIGON Los hormigones están constituidos fundamentalmente por cemento, agua, áridos y eventualmente aditivos. Mezclas de Hormigón (Volumen %) Mezclas Ricas 15% Cemento 21% Agua 3% Aire 30% Áridos finos 31% Áridos gruesos Mezclas Pobres 7% Cemento 16% Agua 0.5% Aire 25.5% Áridos finos 51% Áridos gruesos

10. MATERIAS PRIMAS La materia principal del cemento es el clínquer , que es un producto formado esencialmente por silicato de calcio hidráulico, que se obtiene por calcinación hasta fusión incipiente de una mezcla íntima y adecuadamente dosificada de materiales arcillosos y calcáreos. El cemento Portland es el clínquer pulverizado, sin más adiciones que yeso para regular el fraguado y otras sustancias no perjudiciales y que no sobrepas a n un 3% en peso del cemento .

11. CEMENTO PROCESOS DE FABRICACION PROPIEDADES

12. Existen cementos en que la adición de esas otras sustancias es considerablemente superior al 3%, alcanzando a veces hasta un 75% del cemento total. Los cementos así constituidos no son cemento s Portland. No obstante, su fabricación no difiere de la del cemento Portland solo que en proceso final se agregan adici o n es . En cualquier caso, es necesario producir el clínquer, que es la parte principal y que ocupa mayor volumen en cualquier fábrica de cemento

13. Como materias primas para el clínquer se emplean materiales calizos y arcillosos. Como materiales calizos pueden usarse calizas, margas, conchas marinas, etc. Como materiales arcillosos, arcillas, pizarras, esquistos, escoria de alto horno, etc. Algunos de estos materiales, por ejemplo las margas y la escoria, son a su vez calcáreos y arcillosos. Los materiales calizos contienen principalmente carbonato cálcico. Los materiales arcillosos, óxidos de silicio o sílice de aluminio o alúmina, y de hierro, con una cierta cantidad de agua libre y de agua de cristalización. Además hay impurezas, tales como carbonato de magnesio que lleva a veces la caliza y otros elementos Na, K, P, etc., estos en pequeñas cantidades.

14. La parte esencial de la fabricación del cemento es la calcinación, que se hace en un horno rotatorio. Antes de entrar las materias primas en el horno necesitan una preparación, que consiste fundamentalmente en subdivisión de t amaños y dosificación. Lo primero, es reducirlas a granos muy finos, con el fin de aumentar su superficie específica, de manera que puedan tener lugar en el horno las reacciones buscadas . L a dosificación necesaria para que las materias primas calcáreas y arcillosas estén en la proporción necesaria para obtener el clínquer de la composición requerida.

15. La reducción de tamaño de las materias primas se puede hacer básicamente por dos procedimientos diferentes, que son el de vía seca y el de vía húmeda. En el proceso de vía seca, la reducción de tamaño se hace por una serie de chancadoras y Molinos en los que se trituran y desmenuzan los materiales en seco. Si inicialmente las materias primas no están lo bastante secas, deben someterse a un presecamiento. En el proceso de vía húmeda, se deslían los materiales en agua formando una suspensión que se espesa y eventualmente se le disminuye el contenido de agua por filtros al vacío antes de entrar en el horno. El emplear una vía u otra depende del tipo de materias primas. La vía húmeda necesita menos gastos de energía mecánica en la reducción de tamaño, pero mayores gastos térmicos, ya que es necesario evaporar en el horno una cantidad de agua mayor

16. El horno rotatorio es un cilindro de palastro reve s tido de material refractario, con un diámetro exterior de 2 a 7 metros y una longitud que oscila entre 20 y 200 metros. En vía seca el horno es de 40-80 m de largo . E n vía húmeda de 90 a 200 m. El horno tiene una pendiente pequeña y gira a una velocidad de 30 a 120 revoluciones por hora. Por la parte superior entre la materia prima y por la parte inferior la llama de un quemador.

17. Mediante el tratamiento térmico, la mezcla cruda finamente molida de los materiales naturales no hidráulicos, calcita, cuarzo, arcillas y feldespatos, es transformada en una mezcla íntima de cuatro minerales principales hidráulicamente activos. Denominación Mineral Fórmula Química Abreviaturas Silicato Tricálcico Alita 3 Ca O . SiO 2 C 3 S Silicato Dicálcico Belita 2 Ca O . SiO 2 C 2 S Aluminato Tricálcico Alumina 2 Ca O . Al 2 O 3 C 3 A Ferro-aluminato Tetracálcico Ferrita 4 Ca O . Al 2 O 3 . Fe 2 O 3 C 4 AF

18. El tratamiento térmico de calentamiento y enfriamiento responsable para esta transformación se denomina clinquerización. En el proceso de formación de clínquer ocurre una serie de complejas reacciones en un rango amplio de temperatura s y durante el mismo coexisten frecuentemente mezclas complejas de productos reactantes intermedios y finales. Aún después de alcanzada la temperatura máxima de aproximadamente 1.450ºC, debe transcurrir un cierto tiempo antes que se produzca clínquer de una calidad aceptable. Tabla 1. Es importante el balance térmico del horno para obtener el mejor aprovechamiento del calor. Para ello, el aire para la combustión se pasa por el clínquer caliente con lo que se consigue la doble finalidad de aprovechar el calor y enfriar el clínquer.

19. En la parte inicial del horno se ponen dispositivos para favorecer la transmisión térmica de los gases a la mezcla cruda. Además, los gases de escape se aprovechan incluso para calentar las materias primas antes de entrar en el horno. Un procedimiento para esto es el de la parrilla Lepol, que es una parrilla móvil que transporta el crudo recibiendo el calor de los gases. En este sistema la mezcla cruda se nodula previamente ( se aglomera en forma de nódulos ) . En todo caso, el clínquer sale forma n do bol itas de 3 a 29 mm de diámetro y es necesario pulverizarlo.

20. Tabla 1 SECUENCIA DE REACCIONES EN UN HORNO ROTATORIO Rango de Temperatura (ºC) Tipo de reacción Calentamiento : 20 – 100 Evaporación de H 2 O libre 100 – 300 Pérdida del agua físicamente absorbida 400 – 900 Remoción del H 2 O estructural /grupos H 2 O y OH) de los minerales de arcilla > 500 Cambio de estructura en los minerales de sílice 600 – 900 Disociación de los carbonatos > 800 Formación de belita, productos intermedios, > 1250 Formación de alita > 1260 Formación de fase líquida (caldo de aluminato y ferrita aprox. 1.450 Se completa la reacción y recristalización de alita y belita Enfriamiento : 1.300 – 1.240 Cristalización de fase líquida

21. En estas condiciones el cemento tendrá un fraguado muy rápido, por lo cual es preciso añadirle CaSO 4 (yeso o anhidrita), que regula el fraguado. Esta adición se hace junto con la molienda. Los cementos Portland son de composición variable, pero comprendida entre ciertos límites. El análisis químico de un cemento se expresa por sus óxidos. Sus proporciones en los cementos Portland corrientes suelen ser las que se indican en la Tabla 2. Tabla 2 PROPORCION DE OXIDOS EN LOS CEMENTOS PORTLAND % media % CaO 59 – 67 64 SiO 2 17 – 25 21 Al 2 O 3 5 – 9 6,5 Fe 2 O 1 – 5 2,5 MgO 1 – 4 2,5 SO 3 1 – 3 2,1 Pérdida por calcinación 0,6 – 2 1,3 Residuo insoluble 0,008 - 0,02 0,01

22. En la Tabla anterior se encuentran los componentes principales de que hemos hablado (cal, sílice, alúmina, óxido de hierro) . Constituyen , en la composición media, el 94% del total. La magnesia (óxido de magnesia) no es un componente favorable, pero proviene de impurezas de algunas calizas. El SO 3 es del yeso que se añadió al clínquer. Además de los óxidos citados, hay otros como Mn 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O, TiO 2 , etc., en proporciones menores. El significado de la pérdida por calcinación y del residuo insoluble se explicará más adelante. Como ya se ha visto, estos óxidos que da el análisis químico no se hallan libres, sino combinados en virutd de las reacciones producidas en el horno. Los cuatro óxidos principales forman los compuestos C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF.

23. De la composición expresada por los óxidos y teniendo en cuenta sus pesos moleculares, se puede deducir la composición potencial de los cuatro minerales que constituyen principalmente el cemento Portland. Desde luego, estas proporciones son diferentes en cada cemento particular. Tabla 3 COMPOSICION MEDIA DE LOS MINERALES PRINCIPALES EN CEMENTOS PORTLAND CORRIENTES % C 3 S 48 C 2 S 28 C 3 A 12 C 4 AF 8

24. Estos cuatro compuestos son identificables al microscopio como cuatro fases diferentes. Tienen distintas propiedades y de su proporción dependen por tanto las características principales de un cemento Portland. Los cuatro compuestos podrían considerarse aisladamente como cuatro cementos diferentes, pues todos ellos tienen la virtud de fraguar y endurecerse; pero esto lo hacen a distintas velocidad y alcanzando diferentes valores de resistencia. Como el fraguado y endurecimiento se producen por reacciones con el agua, que son exotérmicas, su distinta velocidad está relacionada directamente con el calor de hidratación liberado.

25. El aluminato tricálcico tiene mucho calor de fraguado, es de reacción rápida. De él depende la resistencia del hormigón a un día. Es atacable por los sulfatos y de su mayor proporción depende que el cemento sea más vulnerable a ese ataque químico, por ejemplo, por el agua de mar. El silicato tricálcico le sigue en rapidez. De él principalmente depende la resistencia de 3 a 28 días. Calor de hidratación alto, pero no tanto como el C 3 A . El silicato dicálcico es más lento que los anteriores y tiene menos calor de hidratación. El C 4 AF tiene débiles propiedades aglomerantes.

26. Tabla 4 PROPIEDADES DE LOS MINERALES PRINCIPALES Minerales Principales C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Velocidad de reacción media lenta rápida lenta Calor liberado medio poco mucho poco Valor conglomerante inicial bueno pobre bueno pobre final bueno bueno pobre pobre Reacción con sulfatos no no si no

27. propiedades de un cemento Portland, conocida su composición mineralógica. Según ello se clasifican los cementos Portland norteamericanos en cinco tipos con las características y composición media que se indican a continuación, en porcentaje. Tabla 5 CARACTERISTICAS DE LOS TIPOS DE CEMENTO PORTLAND (ASTM) SEGÚN SU COMPOSICION DE MINERALES PRINCIPALES I corriente II moderado calor III alta resist. inicial IV bajo calor V resist. a los sulfatos C 3 S 48 43 57 20 39 C 2 S 28 30 20 52 33 C 3 A 12 7.5 11 6 4.5 C 4 AF 8 12 7 14 16

28. Obsérvese, por ejemplo, que el cemento resistente a los sulfatos es el que tiene menos C 3 A ; E l de bajo calor, es el que tiene menos C 3 S y poco C 3 A; y el de resistencia inicial, el que tiene más C 3 S y una cantidad no reducida de C 3 A. Otro factor que influye extraordinariamente en la velocidad de endurecimiento y en el calor de hidratación es la finura del cemento. En cuanto a la velocidad del fraguado, está siempre regulada por el yeso, debiéndose añadir más en los cementos más finos. El Fe 2 O 3 es responsable del tono gris del cemento. Por eso cuando se quiere fabricar cemento blanco hay que buscar materias primas que tengan muy poco Fe 2 O 3 y en lo posible también poco MgO. La magnesia (MgO), el SO 3 y la cal libre pueden producir expansiones diferidas que, al ocurrir en el hormigón ya endurecido, ocasionan su agrietamiento. Por tal razón se limita en las normas su contenido máximo y además se hace con el cemento un ensayo acelerado de expansión

29. El óxido de magnesio da el tono verdoso de algunos cementos. Por cal libre se entiende CaO que no ha reaccionado en la clinquerización. Esa cal se encuentra confinada dentro de una estructura mineral compacta lo que hace que no reaccione inmediatamente con el agua al mezclar el hormigón. Su hidratación se produce muy posteriormente, con el consiguiente aumento de volumen y el peligro de agrietamiento a que nos hemos referido. Los óxidos alcalinos Na 2 O y K 2 O se encuentran en proporción total de 0,4% a 1,3%; con todo, pueden tener gran trascendencia en el comportamiento del cemento, ya que reaccionan con ciertos áridos produciendo expansiones y grietas en el hormigón. Por eso se recomienda que su proporción total, expresada como Na 2 O, sea menor que 0,6%. La reacción álcali-árido más conocida es la álcali-sílice, entre los álcalis del hormigón álcalis (sodio y potasio) y ciertas rocas silíceas o minerales presentes en algunos áridos.

30. La pérdida por calcinación o pérdida al fuego es la disminución relativa de peso del cemento al calentarlo a 1000ºC. En ese calentamiento se desprende principalmente agua y CO 2 . El agua proviene de varios orígenes: E n primer lugar en las fábricas a veces se rocía el clínquer con agua para enfriarlo, lo que le produce una muy pequeña hidratación superficial . E n segundo lugar, la humedad del aire absorbida por el mismo clínquer . E n tercer lugar, el agua que lleva el yeso, ya que éste no pasa por el horno en la fábrica de cemento, y lleva agua de cristalización, y posiblemente humedad.

31. El CO 2 proviene de absorción del aire. La pérdida por calcinación puede servir además como índice del estado de un cemento del cual se dude por haber tenido un almacenamiento inadecuado. El residuo insoluble se refiere a la parte que no se disuelve en ácido clorhídrico. Los componentes de la porción arcillosa del crudo son insolubles en HCI, pero pasan a ser solubles después de haber reaccionado en el horno. Por lo tanto, el residuo insoluble es un índice para saber si la clinquerización ha sido completa o no.

32. IMPORTANCIA DEL YESO Si el clinker se muele solo y después se mezcla con agua, el C 3 A reacciona rápidamente y el C 3 S progresivamente, teniéndose un rápido incremento de la temperatura y una consolidación irreversible seguida de un fraguado espontáneo, el cual se llama Fraguado Instantáneo . Para controlar el tiempo de fraguado, es que se le adiciona una cantidad dada de yeso al clinker. En el proceso de fabricación del cemento, el yeso es alimentado al molino junto con el clínker y la puzolana (si corresponde). Como en todo proceso de molienda se produce una generación de calor, y si añadimos a esto que el clínker generalmente viene a 100ºC aproximadamente, tenemos una temperatura final del cemento de alrededor de 150ºC, temperatura a la cual se produce la deshidratación del yeso y pérdida de las propiedades del mismo, por lo que se produce luego lo que se denomina Falso Fraguado .

33. Agregado tipo “A” Es una mezcla de sustancias compuestas de un material calcáreo-arcilloso que ha sido calcinado a una temperatura superior a los 900ºC y otros materiales a base de óxidos de silicio, alumino y hierro.

34. REQUISITOS QUIMICOS PARA LOS CEMENTOS Cemento Cemento Siderúrgicos Cementos Puzolánicos Cementos con Agregado tipo “A” Portland Portland Siderúrgico Siderúrgico Porland Puzolánico Puzolánico Portland con agreg. tipo “A” Con agregado tipo “A” Pérdida por calcinación máxima (%) 3,0 5,0 5,0 4,0 5,0 7,0 9,0 Residuo insoluble máximo (%) 1,5 3,0 4,0 30,0 50,0 21,0 35,0 Contenido de SO 3 máximo (%) 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 Contenido de MgO máximo (%) 5,0 - - - - - - Contenido de Mn 2 O 3 máximo (%) oxido de Manganeso - 2,0 2,0 - - - -

35. Cementos puzolánicos ¿ qué son las Puzolanas? El código ASTM (1992), en la definición 618-78, indica : "las puzolanas son materiales silíceos o alumino-silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes". Rocas volcánicas, en las que el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de la lava. Por ejemplo las cenizas volcánicas, las pómez, las tobas, la escoria y obsidiana. Rocas o suelos en las que el constituyente silíceo contiene ópalo, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos de lo cual son ejemplos las tierras de diatomeas, o las arcillas calcinadas por vía natural a partir de calor o de un flujo de lava.

36. Las puzolanas son sustancias que en sí mismas no tienen propiedades conglomerantes, pero que reaccionan con la cal a la temperatura ordinaria para formar compuestos estables insolubles con propiedades conglomerantes. Se sabe que los griegos ya emplearon un material de ese tipo, que era una toba volcánica de la isla de Santorín. El nombre de puzolana proviene del uso extensivo que los romanos hicieron de una ceniza volcánica de una localidad cercana al Vesubio. Ese nombre se aplica ahora a cualquier material con las propiedades citadas.

37. Tanto los griegos como los romanos usaban la puzolana para mezclarla con la cal. Con eso obtenían morteros hidráulicos esto es, capaces de endurecerse dentro del agua, a diferencia de los morteros aéreos. También explotaron los romanos los yacimientos de una tierra con propiedades puzolánicas, de la zona de Coblenza, en el Rhin; tierra que hoy día conoce con el nombre de Trass. Hay muchas otras tobas volcánicas que sirven como puzolanas, como son la tosca de Tenerife, y las cenizas que se hallan en países volcánicos, como Méjico, Japón, Nueva Zelanda, parte de Estados Unidos, etc. En Chile tenemos puzolanas, famosas son las de Barrancas y Pudahuel, conocidas como tierras blancas. También la tierra de diatomeas tiene propiedades puzolánicas, mejor aún si se calcinan.

38. Como puzolanas artificiales están las arcillas y esquistos calcinados. También los romanos los usaron, pues en las zonas alejadas de los yacimientos naturales empleaban con ese fin tejas molidas o ladrillos molidos. De interés especial son las cenizas volantes, procedentes de calderas que queman carboncillo. Esas cenizas contienen sílices en estado activo y pueden considerarse como una puzolana artificial y poseen además la ventaja de su gran finura, mayor a veces que el mismo cemento, y de tener forma perfectamente esférica, lo que le da mayor plasticidad a la pasta de cemento. La puzolana puede emplearse, como hacían los romanos, para mezclarla con la cal. Pero el uso importante hoy día es para añadirla al cemento. Sin embargo, como se ha dicho en la definición, la puzolana reacciona con la cal; en el cemento, esa cal es la que se ha liberado en las reacciones de hidratación, las que veremos más adelante. No se debe confundir la cal liberada con la cal libre

39. La puzolanas pueden añadirse en la fábrica, junto con el yeso, el clínquer de Portland, moliendo después el conjunto, o bien pueden emplearse como adición del hormigón en la misma obra. En Chile, los cementos con menos de 30% de puzolana se llaman cementos portland puzolánicos; si el agregado de puzolana está comprendido entre 30% y 50% en peso, del total del cemento, los cementos se llaman simplemente puzolánicos . . Los cementos con puzolanas tienen buenas propiedades de resistencia química e impermeabilidad. Tiene bajo calor de hidratación, construcción de grandes masas de hormigón. Son cementos más lentos en general que los Portland, aunque eso lo compensan con mayor finura de molienda. Son más sensibles al calor y al frío, aumentando o disminuyendo, respectivamente, la velocidad de endurecimiento. La puzolana tiene además la ventaja de inhibir la reacción álcali-árido.

40. Cementos siderúrgicos La escoria de la fabricación del hierro en el alto horno es una combinación de los componentes arcillosos del mineral de hierro con la caliza que se emplea como fundente. En el alto horno el óxido de hierro se reduce por el coque a hierro metálico, mientras que los componentes silíceos y aluminosos, de la ganga arcillosa, reaccionan con la cal y magnesia, de la caliza usada como fundente, para formar la escoria fundida, que queda sobre el arrabio en la descarga. Sale a una temperatura de 1.400ºC a 1 . 500ºC. La ganga suele ser una fracción de silicatos o de otros minerales sin interés .

41. Obsérvese que en cuanto a componentes, reacciones y temperaturas, estamos en algo similar a lo que ocurre en el horno de clínquer. No tiene nada de extraño que la escoria sirva de alguna manera para fabricar cemento, todas vez que se produce como una tonelada de escoria por tonelada de hierro. Si la escoria se enfría lentamente, solidifica en forma de un material gris, cristalino pétreo, llamado escoria densa. Se emplea a veces como árido para hacer hormigón, sin ninguna o con muy poc a función conglomerante. Si el enfriamiento es rápido, con una cantidad limitada de agua, queda atrapado el vapor en la masa y se obtiene un material poroso, celular, semejante a la piedra pómez.

42. Para emplearla como agregado del clínquer, la escoria se enfría bruscamente, por medio de chorros de agua, o de aire y agua. Se trata de enfriarla para impedir la cristalización; las moléculas no tienen tiempo para ordenarse en cristales y se consigue un sólido vítreo, esto es, con la disposición interna de un líquido. La escoria rompe en partículas y así se obtiene lo que se llama escoria granulada. La escoria granulada tiene propiedades conglomerantes, pero las desarrolla lentamente; necesita un activador, cal o cemento, para acelerar el fraguado o endurecimiento. En Chile, se denominan cementos portland siderúrgicos los que llevan una adición de escoria hasta de un 30% en peso del total del cemento. Y cementos siderúrgicos aquellos en que la proporción de escoria es del 30 al 75%.

43. Las propiedades de los cementos siderúrgicos son similares en general a las de los cementos puzolánicos, aunque varían en intensidad. En general la escoria d a más resistencia que la puzolana y es algo menor su beneficio en cuanto a resistencia a ataques químicos. Conviene anotar que la escoria puede también usarse como materia prima para fabricar el clínquer. En general, necesita complementarse con una cierta proporción de caliza, pues le falta cal para constituir un crudo bien dosificado. Si a ese clínquer, molido, se añade solamente yeso, se obtiene cemento Portland, que no llevaría ninguna denominación de siderúrgico, pues lo que le da esa denominación es el hecho de añadir escoria después de la cocción. En los cementos siderúrgicos que se fabrican en Chile se emplea la escoria de alto horno con la doble finalidad de servir de materia prima para clínquer y de agregado posterior.

44. Hidratación del Cemento El fraguado y el endurecimiento del cemento se basan en la reacción de los compuestos anhidros del cemento con el agua. En el hormigón, el agente conglomerante no es el cemento en sí, sino la mezcla de cemento y agua. Las reacciones de hidratación ya empiezan a ocurrir durante el almacenamiento de clínquer, durante la molienda del clínquer con yeso y durante el almacenamiento del cemento. Esta hidratación incipiente puede inclusive cambiar las características físicas del cemento. La hidratación a gran escala y con cambios significativos en las características físicas se lleva a cabo durante la reacción del cemento con el agua en la mezcla del hormigón (Tabla 6).

45. Tabla 6 PORCENTAJE DE HIDRATACION EN CONDICIONES NORMALES Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, iniciándose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S. A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teorías que suponen la precipitación de los compuestos hidratados, con la formación de cristales entreverados entre si que desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (Teoría cristaloidal de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teoría coloidal de Michaelis), estimándose actualmente que el proceso presenta características mixtas. Almacenamiento de clínquer 0 – 1% Molienda de cemento 0 – 1% Almacenamiento de cemento y transporte 0 – 10% Mezcla de hormigón hasta 100%

46. La hidratación del cemento Portland es principalmente una hidrólisis de silicatos, que produce un hidrato de silicato de calcio liberando cal que se separa bajo la forma de hidróxido de calcio . Las reacciones más importantes son las de los silicatos tricálcico y dicálcico. 2 (3 CaO Si O 2 ) + 6 H 2 O  3 Ca O  2 Si O 2  3 H 2 O + 3 Ca (OH) 2 2 (2 CaO  Si O 2 ) + 4 H 2 O  3 Ca O  2 SiO 2  3 H 2 O + Ca (OH) 2 Tobermorita

47. No se han considerado las reacciones del C 3 A, C 4 AF y del yeso. En ellas la cantidad de agua necesaria es, en proporción, mayor que en las reacciones citadas: pero como esos componentes se hallan en menor cantidad que los silicatos, no influye considerablemente en la demanda de agua del cemento, que va a ser como máximo 28 + 1%. Esta es el agua que se combina químicamente; desde luego el hormigón necesita una relación agua cemento mayor que 0,28, pero ello es debido a la necesidad de darle trabajabilidad. En el caso de los cementos puzolánicos, la cal Ca (OH) 2 , liberada en las reacciones anotadas, reacciona a su vez con la puzolana formando compuestos con propiedades conglomerantes. Además, la puzolana, al consumir la cal, desequilibra las reacciones anotadas y hace que se incline más la reacción hacia la derecha, formándose más tobermorita (CSH gel).

48. Proporciones volumétricas de la pasta de cemento en diferentes et á pas de la hidratación 60 cm 3 Agua 40 cm 3 Cemento Poros capilares vacíos 3,7 cm 3 33,5 cm 3 Agua capilar 12,0 cm 3 Agua de gel 30,8 cm 3 Productos sólidos de hidratación 2 0 20,0 cm 3 Cemento no hidratado 7,4 cm 3 7,4 cm 3 Poros capilares vacíos 7,0 cm 3 Agua capilar 24,0 cm 3 Agua de gel 61,6 cm 3 Productos sólidos de hidratación 0% 50% 100% CA P LAR E S C EMENTO HI DRATADO

49. Aparte del CSH gel, el hidróxido de calcio es el componente principal del cemento hidratado. Se cree que el Ca (OH) 2 no contribuye a la resistencia y siendo una base fuerte, en el sentido químico de la palabra, protege al acero contra la corrosión electroquímica en los hormigones armados. El hidróxido de calcio es ligeramente soluble en agua y puede ser sacado de la estructura si se mantiene el hormigón en contacto permanente con H 2 O corriente; esto aumenta la porosidad y reduce su resistencia. El hidróxido de calcio reacciona lentamente con el CO 2 del aire para formar CaCO 3 . De este modo se destruye el efecto protector contra la corrosión del acero de refuerzo. Este fenómeno se llama “carbonatación” y su importancia depende de: contenido de cemento, relación agua cemento y condiciones climatológicas

50. Si se incrementa la velocidad de hidratación, sube el desarrollo de la resistencia a temprana edad, pero se perjudica la resistencia final. La hidratación lenta y retardada permite la formación de una estructura microcristalina (gel) de gran superficie, q ue da como resultado una Buena resistencia. La reacción de hidratación es un proceso exotérmico, es decir, durante la reacción del cemento con el agua se libera calor. La cantidad de calor liberada es bastante importante y se llama “calor de hidratación”. Debido a la baja conductibilidad del hormigón, éste funciona como aislante y dentro de una gran masa de hormigón la hidratación produce un gran aumento de la temperatura, hasta 50ºC.

51. Tabla 7 CALOR DE HIDRATACION EN Kcal PRODUCIDO POR UN KILO DE CEMENTO A 18ºC La gradiente de temperatura que se produce como consecuencia de este fenómeno puede ser causante de la formación de grietas en el hormigón. Tipo de cemento días 1 2 3 5 7 Cemento Portland corriente 50 65 70 75 77 Cemento Portland de Alta Resistencia 70 85 90 92 95 Cemento Aluminoso 100 105 107 108 109

52. Características La Norma NCh 148 indica cuales son los requisitos químicos de los cementos. Tabla 8 GRADOS DE CEMENTOS, REQUISITOS SEGÚN NORMA NCH 148 Grado Tiempo de Fraguado Resistencia mínima Resistencia mínima a la compresión a la flexión Inicial Final 7 días 28 días 7 días 28 días Mínima Máximo Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 (min.) (horas) Corriente 60 12 180 250 35 45 Alta resistencia 45 10 250 350 45 55

53. Características Físicas El cemento Portland tiene una densidad de partículas sólidas de 3.120 a 3.160 Kg/m 3 . En la práctica, para cálculo de dosificación suele tomarse 3.100 Kg/m 3 . Las densidades de partículas sólidas de los agregados que se añaden al clínquer de cemento Portland, como la puzolana, son menores que la del clínquer, y por eso los cementos con agregado tienen densidades de partículas sólidas menores que el Portland, y tanto menores cuanto mayor es la proporción de agregado añadido. Así, por ejemplo, la densidad de partículas sólidas de un cemento corriente (28% de puzolana) es de 2.870 Kg/m 3 , en cambio la de un alta resistencia (20% de puzolana) es de 3.000 Kg/m 3 .

54. La densidad aparente depende del grado de compactación en que se halle el cemento. En estado suelto, su densidad aparente es del orden de 1.100 a 1.200 Kg/m 3 . Es estado compactado, bien sea a granel, en silos o en sacos, la densidad aparente es mayor. El cemento se envasa en sacos de 42,5 Kg. peso que originalmente procede del correspondiente a un pie cúbico de cemento. Por lo tanto, la densidad aparente asignada al cemento en saco es del orden de 1500 Kg/m 3 .

55. Determinación del peso específico relativo (Nch 154.of 69) Resumen La determinación del peso especifico relativo de los cementos consiste en establecer la relación entre una masa de cemento (gr.) y el volumen (ml) de líquido que ésta masa desplaza en el matraz de Le Chatelier. El volumenómetro es un recipiente de cristal cuya forma y dimensiones aparecen definidas en la figura. Este recipiente esta lleno, por ejemplo, de tetracloruro de carbono o de petróleo de tal suerte que el nivel este comprendido entre las divisiones 0 y 1 que se hallan en la parte inferior del cuello.

56. Figura 4.1 Matraz de Le Chatelier. Capacidad aproximada 250ml. Cotas en cm.

57. Procedimiento Llenar el matraz con cualquiera de los líquidos especificados hasta un punto comprendido entre las marcas 0 ml y 1 ml. Sumergir el matraz en el baño de temperatura constante donde permanecerá hasta que su contenido haya alcanzado la temperatura del agua. Efectuar la primera lectura, registrar el volumen V1. Evitar variaciones en la temperatura del líquido mayores de ±0,2ºC. Pesar una de masa, m=64gr, de cemento y agregar al líquido contenido en el matraz. Tener cuidado de evitar salpicaduras y que el cemento se adhiera a las paredes interiores del matraz en la parte sobre el nivel del líquido. Para acelerar la introducción del cemento al matraz y para prevenir que el cemento adhiera en el cuello de éste se podrá usar un aparato vibrador.

58. Tapar el matraz y hacer girar en una posición inclinada o hacer girar despacio en un circulo horizontal hasta que termine el desprendimiento de burbujas de aire. Si se ha agregado una cantidad apropiada de cemento, el nivel del líquido llegará en su posición final a un punto comprendido entre las marcas superiores del matraz. Registrar el volumen final V2 después de haber dejado sumergido el matraz en el baño de temperatura ambiente. La diferencia V2 – V1 es el volumen del líquido desplazado por el peso del cemento usado en el ensayo. El peso especifico del cemento ( ﻻ ) en gr/cm3 esta dado por la relación:  = m (gramos) V2 – V1(cm3) Repetir las determinaciones hasta que los resultados de tres de ellas no difieran en mas de 0,01. El peso especifico relativo es el promedio de las tres determinaciones y su valor se expresa con tres cifras significativas

59. La finura del cemento es su característica física principal . C omo las reacciones de hidratación se producen en la superficie de los granos, sucede que cuanto más pequeños son éstos, es más rápido el desarrollo de la resistencia. Un cemento de alta resistencia inicial puede obtenerse con sólo moler más fino el mismo clínquer de un cemento corriente. Este aumento de resistencia es notable a edades tempranas; pero con el tiempo los cementos Portland de distinta finura tienen igual resistencia (Fig. 5).

60. La finura de molienda influye también en el calor de hidratación, que se desarrolla más rápidamente en los cementos más finos. mayor finura confiere mayor trabajabilidad al hormigón a igualdad de dosis de agua; en esas condiciones, los cementos más finos tienen el inconveniente de su mayor retracción . P ero ésta queda compensada en la práctica, pues a igual trabajabilidad exigen menos agua, y ésta influye en la retracción. Por otra parte, los cementos más finos tienen menos exudación. Se determina la finura del cemento de una manera global, midiendo su superficie específica, esto es, la suma de las áreas de las superficies exteriores de los granos que, en conjunto, pesan un gramo . Se expresa en cm 2 /g.

61. Para la medición de la superficie específica se emplean dos métodos: El más usado es el permeabilímetro de Blaine, con el cual se mide la superficie específica por la permeabilidad al aire de una capa de cemento de dimensiones y compacidad normalizadas. Cuanto más fino es el cemento, menos permeable es al pas o del aire a través de los huecos que quedan entre los granos. El otro método es el del turbidímetro de Wagner, basado en la ley de Stokes, según la cual los granos de un material adquieren distintas velocidades de sedimentación al encontrarse en el se n o de un líquido. La turbidez que se produce en el líquido, es medida por una célula fotoeléctrica.

62. Método de Blaine (Nch 159. of 70) Resumen del método La determinación de la finura del cemento se basa en el hecho de que la velocidad de paso del aire a través de una capa de material con determinada porosidad es función del número y del tamaño de los huecos existentes en la capa, los cuales dependen del tamaño de las partículas del material, y por lo tanto, de la superficie específica de éste.

63. El fenómeno mediante el cual la pasta de cemento deja de ser plástica y adquiere una rigidez tal que ya no admite moldeo, se llama fraguado. Interesa medir el tiempo de fraguado, o sea, lo que se demora la pasta en fraguar desde el momento en que el cemento se mezcla con agua. Existen métodos convencionales que miden el principio y fin del fraguado sobre pasta de cemento, (aguja de vicat) pero no reflejan totalmente el comportamiento del hormigón, en que su trabajabilidad depende de las dosis de agua, cemento, de la temperatura y humedad ambiente. Otra de las propiedades físicas que interesa medir es la resistencia mecánica del cemento, lo que se determina ensayando un mortero confeccionado con él.

64. Fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, iniciándose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S en ese mismo orden. Método de determinación del tiempo de fraguado (NCh 152. of 70) La determinación del tiempo de fraguado de los cementos se basa en la resistencia que opone la pasta de cemento a la penetración de la aguja de un aparato normalizado.

65. Acondicionamiento Temperatura y humedad La temperatura de la sala se mantendrá entre 18 y 27ºC. La humedad de la sala será superior o igual a 50%. La temperatura del agua de amasado será de 23 ± 2ºC. Los materiales y aparatos usados en la preparación del mortero deberán estar a una temperatura entre 18 y 27ºC. La cámara húmeda estará construida de tal modo que pueda conservarse en ella una humedad relativa superior o igual a 90% y la temperatura de 23 ± 2ºC.

66. Preparación de la pasta de cemento Preparar la pasta de cemento de consistencia normal y colocarla en el molde. El molde con la pasta de cemento deberá permanecer en la cámara húmeda y se sacará durante el tiempo necesario para hacer las mediciones.

67. Procedimiento Colocar el molde con la pasta debajo de la aguja del aparato de vicat, colocar el extremo de la aguja en contacto con la superficie de la pasta y fijar el tornillo. Hacer coincidir el indicador con la marca superior 0 de la escala y soltar el dispositivo móvil. El aparato debe estar libre de vibraciones durante el ensayo. Hacer mediciones sucesivas cada 10 minutos a distancias iguales o superiores de 10 mm del borde interior del molde y a 5 mm entre ellas. Limpiar completamente la aguja después de cada medición. El cemento ha alcanzado el principio de fraguado cuando la aguja se detenga a 4 ± 1 mm sobre el fondo del molde 30 segundos después de haber soltado el dispositivo móvil.

68. La determinación del tiempo de fraguado final se hará con la probeta invertida. La inversión se hará cuando la pasta esté suficientemente rígida. El cemento ha alcanzado el final de fraguado cuando la aguja solo deja una impresión y no el borde circular del accesorio. Los tiempos de fraguado inicial y final se computan desde el instante en que se inicia el mezclado de la pasta de cemento. Los tiempos de fraguado, inicial y final, se expresan en horas y minutos, con aproximación a 10 min.

69. La resistencia de este mortero depende de muchas circunstancias, lo que hace necesario fijar todas ellas: T ipo de arena, granulometría, proporción arena/cemento, relación agua/cemento, revoltura, temperatura de confección, compactación, tipo de probeta, método de curado y edad de ensayo. En esas condiciones se especifican las resistencias mínimas que deben cumplir los cementos. En Chile se aplica la norma RILEM que es la recomendada internacionalmente por ISO, la que emplea una arena cuarzosa, como la del estero San Sebastián, de granos redondeados constituida en partes iguales por tres fracciones: entre 2 y 1 mm (gruesa), 1 y 0.5 (media) y entre 0.5 y 0.08 mm (fina). Se emplea una relación arena/cemento de 3/1 en peso y una relación agua/cemento de 0.5.

70. Así, para cada ensayo, se mezclan 500 g de cemento, 1.500 g de arena normal y 250 g de agua, con cuya mezcla (preparada en una revolvedora normalizada) se llenan tres probetas prismáticas de 40 x 40 x 160 mm. La temperatura durante el mezclado y confección de las probetas debe ser entre 18ºC y 27ºC y la humedad del aire no inferior a 50%. Las probetas se compactan en una mesa de sacudidas, también normalizada. Recién preparadas y antes de desmoldarlas, se conservan en sus moldes a 20 + 1ºC con humedad del aire no inferior al 90%. Se desmoldan a las 24 hras y se dejan en agua saturada de cal a 20 + 1ºC hasta el momento del ensayo. El ensayo de las barras se hace primero a tracción por flexión con luz de 10 cm y carga centrada, y la fatiga se expresa con la fórmula siguiente:  = M = P1 = 15 P W 4 . bh 2 64 6 b = 4 cm; h = 4 cm: 1 = 10 cm

71. Una vez realizado el ensayo de flexión, los trozos resultantes se ensayan a compresión, cargando sobre ellos por medio de dos placas de acero de 4 x 4 cm (cubo “modificado” de 4 cm de arista). Por cada prueba de cemento y edad, se hacen, por lo tanto, tres ensayes de flexión, y seis ensayos de compresión. Las normas especifican resistencia mínimas a 7 y 28 días para los cementos corrientes y para los de alta resistencia.

72. Tabla 8 GRADOS DE CEMENTOS, REQUISITOS SEGÚN NORMA NCH 148 Grado Tiempo de Fraguado Resistencia mínima Resistencia mínima a la compresión a la flexión Inicial Final 7 días 28 días 7 días 28 días Mínima Máximo Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 Kgf/cm 2 (min.) (horas) Corriente 60 12 180 250 35 45 Alta resistencia 45 10 250 350 45 55

73. Tabla 9 CEMENTOS CHILENOS Agregado Denominación INN Porcentaje de agregado Denominación comercial Clase resistencia Porcentaje real de agregado Densidad de partículas sólidas (Kg/m 3 ) NO Portland 0 Super Melón Alta resistencia 0 3100 Puzolana Portland Puzolánico < 30 Polpaico esp. Polpaico 400 Melón esp. Melón extra Inacesa A.R. Corriente Alta resist. Corriente Alta resist. Alta resist. 28 20 28 18 19 2870 3000 2850 2950 3000 Puzolánico 30 - 50 Inacesa esp. Corriente 35 2900 Escoria alto horno Portland Siderúrgico < 30 Siderúrgico 30 - 75 Bío-Bío esp. Bío-Bío A.R. Corriente Alta resist. 55 45 2990 3020

74. Hasta que se considere una especificación para cementos a emplear en pavimentos, y debido a la carencia de datos e información de la correspondencia en terreno, se recomienda que a los cementos para tal efecto, se les sancione en los siguientes aspectos, según su tipo : - Homogeneidad en Finura Blaine. - Resistencia característica a los 28 días - Tiempo de fraguado inicial, para condiciones climáticas normales y calurosas - Calor de hidratación - Expansión en el mortero normal sumergido en agua, y contracción al aire. - Exudación en la pasta de cemento, y tiempo de exudación total - Para cementos tipo Alta Resistencia (del orden de 20% de puzolana o 40% de escoria), dosis minima mayor o igual 300 Kg/m 3 .