2ª

CONGLOMERANTES Y CONGLOMERADOS

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DEFINICIONES

b) A continuación se inicia el aumento de la viscosidad, junto con la elevación de la temperatura de la mezcla: es el comienzo del fraguado. c) La papilla va ganando consistencia hasta que se transforma en un bloque sólido más o menos resistente y rígido, desapareciendo su plasticidad al tacto: es el fin del fraguado y comienzo del endurecimiento. Así como la duración del fraguado se mide en minutos o en horas, según los tipos de conglomerantes y de aditivos, el endurecimiento puede durar meses, e incluso años, pues se trata de un fenómeno que se ralentiza con el transcurso del tiempo. Estos procesos de transformación se explican porque el conglomerado es un sistema químico que consta de unos compuestos anhidros, ávidos de agua y solubles en ella, que al reaccionar con el agua de amasado se transforman en un nuevo sistema, esta vez hidratado, cristalino, insoluble e indiferente frente al agua. La reacción química que se produce es exotérmica, aumentando considerablemente la temperatura durante las etapas de fraguado y primer endurecimiento.

- Conglomerado: piedra artificial por excelencia en la que, a diferencia de la cerámica, no es el calor sino el agua lo que, en frío, provoca su endurecimiento. Son claras sus ventajas con respecto a otras piedras, naturales o artificiales: pueden controlarse con mayor precisión su composición y propiedades; puede ser fabricado donde y cuando convenga; y, además, puede mejorarse con el concurso de otros materiales, como el acero, el vidrio, el plástico, etc. Los conglomerados se componen de tres ingredientes principales: a) Árido, conjunto de restos de rocas naturales o artificiales que hay que conglomerar, y que constituyen el esqueleto de la piedra artificial. b) Agua: necesaria para que el conglomerante manifieste su poder de ligazón o aglutinación, quedará integrada formando parte de la composición química del conglomerado, y físicamente en forma de humedad situada en la red porosa capilar de la piedra artificial. c) Conglomerante: es todo producto natural o artificial que, mediante el concurso del agua, actuará como ligante del material básico o árido, manteniendo un conjunto sólido, estable y coherente, y determinando, además, la resistencia final del conglomerado. Existen dos tipos de conglomerantes: - Aéreos: incapaces de adquirir cohesión, mediante fraguado y endurecimiento, en un medio húmedo, como el yeso y la cal aérea. Sólo lo consiguen en el aire. - Hidráulicos: además de fraguar y endurecer en el aire, lo hacen también en medio húmedo, e incluso sumergidos en el agua. Tal es el caso de las cales hidráulicas y de los cementos.

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Los áridos son fragmentos de rocas en estado natural, u obtenidos artificialmente, que constituyen la adición inerte de los morteros y hormigones. Su función es triple: estabilizar el volumen del conglomerado; comunicar resistencia mecánica; y aumentar la economía del producto. El árido es un elemento que no va a intervenir en el proceso químico de transformación o fraguado del conglomerante, si bien resulta conveniente utilizar aquellos materiales que posean mayor estabilidad: inalterabilidad al agua, aire e hielo; que no reaccionen con el cemento (o la cal); y que no contengan impurezas. A)

- Pasta: es el material resultante de la adición del conglomerante más el agua, sin misión resistente específica, aunque se utiliza para la obtención de yesos, escayolas, revocos, enlucidos, etc.

Clasificación de los áridos

- Por el tamaño: - Grava: árido de tamaño superior a 5 mm. Recibe el nombre corriente de: - grava gruesa: entre 80 y 160 mm. - grava media: entre 40 y 80 mm.

- Mortero: conglomerado en el que el árido es una arena. Se utiliza normalmente para trabar fábricas de piedra, cerámica y bloques, así como en revestimientos continuos. - Hormigón: conglomerado constituido por la adición de árido, conglomerante (normalmente cemento) y agua. Desde finales del siglo XIX se considera un material fundamental por sus propiedades resistentes, sencillez de fabricación, y coste no muy elevado.

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LOS ÁRIDOS

- gravilla: entre 20 y 40 mm. - garbancillo: entre 10 y 20 mm.

FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO

Al mezclar el conglomerante con el agua, la masa resultante experimenta los siguientes efectos: a) En una primera etapa, de pocos segundos, la mezcla permanece inalterada. 1

- Arena: árido de tamaño inferior a 5 mm. Recibe el nombre corriente de:

- Áridos redondeados o naturales, cuya forma ideal es la que se aproxima a una esfera, es decir la mínima superficie específica. - Áridos de machaqueo o artificiales, cuya forma ideal es la que se aproxima al cubo. - Áridos laminares o aciculares, los que presentan peor comportamiento, pues el conglomerado que se obtiene resulta poco manejable, disminuyendo substancialmente la compacidad y con ella la resistencia, a la vez que se incrementa el gasto de pasta. Se llama coeficiente de forma α de un árido grueso, el obtenido a partir de un conjunto n de granos representativos de dicho árido, mediante la expresión:

- arena gruesa: entre 2,5 y 5 mm. - arena media: entre 1,25 y 2,5 mm. - arenilla: entre 0,32 y 1,25 mm. - polvo: entre 0,08 y 0,32 mm.

(V1 + V2 + ... + Vn) α = -------------------------------3 3 3 π/6(d 1 + d 2 + ... + d n) en la que α es el coeficiente de forma; Vi es el volumen de cada grano; di es la mayor dimensión de cada grano, es decir, la distancia entre los dos planos paralelos y tangentes a ese grano que estén más alejados entre sí de todos los que es posible trazar.

- Por su procedencia: - De mina: resultantes del machaqueo de las rocas, son ásperos, angulosos, y suelen contener materia orgánica y otras impurezas. - De río: son redondeados, de aristas romas, limpios, y no suelen contener impurezas. - De playa: redondeados, muy finos y cargados de sales alcalinas o magnésicas. - De duna: muy finos y suaves debido a su continua erosión eólica.

- Contenido de humedad: Los áridos pueden encontrarse secos o húmedos, si son capaces de absorber más agua; saturados, si están en equilibrio con la humedad ambiental; o mojados, si pueden ceder agua al conglomerante.

- Por su naturaleza química: - Silíceos: los mejores, por dureza y estabilidad química. - Silicatados: procedentes de la fragmentación de feldespatos. - Calizos: son más blandos, efervescentes con los ácidos y menos durables. - Arcillosos: de origen silíceo o de silicatos, impurificados con arcillas. - Margosos: calizos impurificados con arcillas. - Puzolánicos: de origen volcánico, ricos en alúmina; buenos para fabricar conglomerantes.

- Adherencia: La adherencia entre los áridos y la pasta de conglomerante debe ser lo más perfecta posible. Para ello se requieren ciertas condiciones: aspereza y gran limpieza de los granos del árido. No debe existir arcilla, materia orgánica ni polvo procedente de machaqueo, pues de lo contrario se pierde resistencia a la tracción y se gana fragilidad del conglomerado.

- Áridos especiales: - Para hormigones ligeros: vermiculita; perlita; serrín; escorias; pómez; pizarras; etc. - Para hormigones pesados: fundición; chatarra; galena; wolframio; pirita. - Para hormigones refractarios: ladrillos; refractarios ordinarios y de alúmina. - Para hormigones resistentes al rozamiento: áridos de machaqueo. - Para hormigones resistentes a la tracción: fibras de amianto, de vidrio y de lana mineral.

C)

A)

Granulometría y sus leyes

Granulometría es la distribución por tamaños de los granos de un árido. Se expresa indicando el porcentaje de una muestra dada, retenido en cada uno de los tamices de una serie normalizada. De la granulometría dependen: la compacidad, la economía y la resistencia del conglomerado. Módulo granulométrico o de finura: de un árido, Ma = ti/100. Es característico de cada serie normalizada de tamices y cedazos (tamices de mayor luz de la malla). Curva granulométrica de un árido: es aquella cuyas ordenadas son los valores de pi (índice de paso o sumatorio de los porcentajes de árido que pasan por los tamices), y las abscisas, los diámetros de los tamices de la serie utilizada.

Propiedades de los áridos

- Forma: es muy importante por su influencia en la dosificación del conglomerado. Se consideran tres formas básicas. 2

Leyes granulométricas - Con áridos monogranulares se obtienen los conglomerados menos compactos y de mayor porosidad. Cuanto más fino es el árido, mayor es el volumen de huecos. - Para áridos no monogranulares se cumplen las siguientes leyes:

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EL CEMENTO PÓRTLAND

A)

Definiciones

Cementos: conglomerantes hidráulicos que, amasados con agua, fraguan y endurecen, tanto en el aire como sumergidos en agua, por ser los productos de su hidratación estables en esas condiciones.

a) Feret: la mayor compacidad se obtiene mezclando granos gruesos en un porcentaje de 60, y 40% de granos finos, sin tamaños intermedios.

- Crudo de cemento Pórtland: mezcla suficientemente fina y homogénea, adecuadamente dosificada, a partir de calizas y arcillas. Dicha mezcla podrá contener otros materiales para facilitar la fabricación o la obtención de cementos especiales.

b) Fuller: obtuvo una curva granulométrica ideal, con la que se obtienen los hormigones más resisten½ tes: pi = 100(di/D) , siendo di la luz del tamiz y D el tamaño máximo del árido, o luz máxima de cedazo de la serie.

- Clínker de cemento Pórtland: es el producto que se obtiene al calcinar hasta fusión parcial (sinterización) un crudo de cemento Pórtland, durante el tiempo necesario para conseguir la combinación prácticamente total de sus componentes.

c) Bolomey: obtuvo una curva granulométrica ½ mejorada: pi = a + (100 - a)(di/D) siendo a un parámetro que depende del tipo de árido (redondeado o de machaqueo) y de la consistencia prevista para el hormigón (seca, plástica, etc.).

Horno de crudo

- Regulador de fraguado: producto que, añadido al clínker de cemento Pórtland en cantidad adecuada y molido con él, proporciona un cemento de fraguado normal. Generalmente se utiliza el sulfato cálcico hidratado (piedra de yeso).

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No puede hablarse de un compuesto químicamente puro. Se trata de una mezcla de compuestos diversos, pulverizados. Los que están presentes en el clínker se forman por reacción, durante la sinterización (cocción hasta fusión parcial) en el horno, de los componentes que constituyen las materias primas, de los que la mayoría son óxidos, ácidos o básicos. - Óxidos principales: o componentes principales: óxido de calcio (CaO) o cal combinada; óxido de silicio (SiO2) o sílice; alúmina (Al2O3); y óxido de hierro (Fe2O3). - Óxidos secundarios: o componentes secundarios: - CaO (cal libre) y el hidróxido cálcico (Ca(OH)2), que coexisten en la pasta de cemento. Una parte de la primera se hidrata y pasa al segundo durante el amasado. Si el contenido de cal libre supera un cierto valor, queda una parte capaz de hidratarse durante el endurecimiento, lo que acarrea fenómenos expansivos a medio plazo. - MgO: es peligroso si aparece en el clínker en estado cristalino, por su lenta hidratación, de carácter expansivo. - SO3: proviene de la adición de piedra de yeso al clínker, para regular su fraguado, o del combustible del horno. Un exceso de SO3 puede provocar el fenómeno del falso fraguado. Límite 4-4,5%. - Álcalis (Na2O y K2O): provienen de las materias primas y se volatilizan en su mayor parte. - Otras substancias: pérdida al fuego (PF), de naturaleza caliza (máximo del 3,5% al 12%, según el tipo de cemento). Residuo insoluble (RI), de naturaleza silícea (máximo 5%). Cloruros, medidos en ión cloro (Cl máx. = 0,1%). Sulfuros, medidos en ión azufre (S máx. 0,1% para el cemento aluminoso).

Molino de clínker

- Adiciones: materiales o productos que, añadidos al clínker de cemento Pórtland en determinadas proporciones y molidos con él, no perjudican el comportamiento normal del cemento resultante, y pueden aportar alguna cualidad adicional o mejorar las que posee. - Adiciones hidráulicamente activas: o adiciones activas, son materiales que poseen propiedades hidráulicas latentes, como algunas escorias siderúrgicas, o son capaces de fijar la cal, como las puzolanas. - Escorias siderúrgicas: productos granulados que se obtienen por enfriamiento brusco de la ganga procedente del alto horno. La que se emplea en el cemento III deberá ser activa. - Puzolana: producto natural de origen volcánico, sin propiedades hidráulicas, y capaz de fijar la cal a temperatura ambiente, en presencia de agua, formando compuestos con propiedades hidráulicas. En general se denomina así a todos aquellos productos, naturales o artificiales, que presentan las mismas propiedades descritas: arcillas activadas, cenizas volantes, tierra de diatomeas, etc.



El clínker de cemento Pórtland consta de cuatro componentes u óxidos principales que no se encuentran libremente, sino combinados formando silicatos y aluminatos, que son los constituyentes hidráulicos del cemento, es decir, sus componentes potenciales:

- Adiciones inertes: materiales que, sin perturbar el fraguado, endurecimiento o estabilidad de volumen del cemento, introducen alguna mejora: adherencia, plasticidad, blandura o mayor rendimiento del conglomerante. Sólo se utiliza el "filler" calizo (carga o relleno de polvo de caliza). B)

Composición potencial

- Silicato tricálcico (alita): 3CaO.SiO2 o SC3, cuya proporción en el cemento Pórtland oscila entre 45% y 60%. - Silicato bicálcico (belita): 2CaO.SiO2 o SC2, con proporción del 20% al 30%.

Composición del cemento Pórtland

El cemento Pórtland se obtiene por pulverización del clínker de cemento Pórtland, sin más adición que la piedra de yeso natural, como regulador de fraguado.

- Aluminato tricálcico: 3CaO.Al2O3 o AC3, con una proporción del 5% al 15%.

Materias primas

- Ferrito aluminato tetracálcico: 4CaO.Fe2O3.Al2O3 o AFC4, en 10% al 15%.

- Calizas (rocas que contienen carbonato cálcico) y arcillas (rocas formadas por sedimentación mecánica y basadas en silicatos de aluminio hidratado), en cualquiera de sus diversas variantes. 

En la hidratación de los silicatos se desprende cal libre, comunicando una gran alcalinidad al medio (pH>12), lo que garantiza la protección de las armaduras del hormigón. Sin embargo, el Ca(OH)2, en ambientes agresivos, constituye un punto débil pues forma compuestos

Composición química 4

muy expansivos (como la sal de Candlot), que arruinan al hormigón. La función y las características que los componentes potenciales confieren al cemento, y, por consiguiente, al hormigón con él fabricado, se resumen a continuación:

calor derivado de la molturación del clínker. El principio y el fin de fraguado son importantes y se evalúan mediante ensayo de penetración de la aguja de Vicat sobre probeta de mortero de cemento. La temperatura modifica los tiempos de fraguado en función de la relación agua/cemento. Por ejemplo, para una relación a/c de 0,5, un cemento Pórtland de resistencia alta, a una temperatura ambiente de 20C, comienza a fraguar a las tres horas de su amasado y termina al cabo de seis horas. También influye la finura de molido, la meteorización y la presencia de materia orgánica y de humedad.

- SC3: compuesto activo del clínker; desarrolla una gran resistencia inicial, provoca un calor de hidratación elevado, fraguado lento y endurecimiento rápido. Debe limitarse a l 35% en obras de grandes macizos de hormigón. - SC2: comunica al cemento su resistencia a largo plazo, al ser lentos su fraguado y endurecimiento. El calor de hidratación que produce este componente es el más bajo de todos. Su estabilidad química es superior a la del silicato tricálcico, por lo que confiere al hormigón una mayor resistencia a los sulfatos.

- Calor de hidratación: Las reacciones químicas que suceden al amasar al cemento son exotérmicas, por lo que aumenta la temperatura de la pasta. El fenómeno es rápido al principio, y menor y más lento en las últimas fases del endurecimiento. El 50% del calor se desprende en los tres primeros días, y el resto, al cabo de seis meses.

- AC3: suministra al cemento un calor de hidratación muy elevado, altísima velocidad de fraguado y gran retracción. Comunica resistencias a corto plazo. Posee buena estabilidad química frente al agua marina, pero puede conducir a la corrosión sulfática si no se limita su proporción al 5%.

- Estabilidad de volumen: Es la más importante característica tecnológica exigible a la piedra de cemento: ninguno de sus constituyentes ha de experimentar expansión una vez colocado en obra. Los componentes principales no son peligrosos, pero sí algunos secundarios, como el CaO libre y el MgO, que, cristalizados, se hidratan sin disolución y expanden por el incremento de volumen de las numerosas moléculas de agua que se asocian. Otra modificación de volumen es la retracción, motivada por las condiciones higrotérmicas de conservación del cemento, cuando se expone al aire y se reseca al material, antes y después del endurecimiento.

- AFC4: se necesita como fundente en la fabricación del clínker. No interviene en la ganancia de resistencia. Comunica a la pasta poco calor de hidratación y gran velocidad de fraguado. Su resistencia a las aguas selenitosas y agresivas es la más elevada. pero, por su coloración oscura, no puede emplearse en gran proporción, estando prohibido para el cemento blanco. C)

Propiedades del cemento Pórtland - Resistencia mecánica: - Finura de molido: Es la resistencia de un mortero de cemento normalizado, amasado con arena silícea de Segovia, y con relación a/c de 0,5, según ensayo específico. Las probetas deben ser prismáticas, de 4x4x16 3 cm y se rompen a flexo tracción con carga centrada, y cada trozo resultante, a compresión. Los ensayos se hacen a 2, 7 y 28 días. La resistencia será tanto más elevada cuanto mayor sea la clase de cemento empleado.

Es decisiva para la velocidad de las reacciones químicas durante el fraguado y primer endurecimiento. Su exceso puede ser perjudicial, especialmente en el Pórtland, por el aumento excesivo del calor de hidratación y de la retracción (contracción debida al fraguado). - Peso específico real:

- Resistencia a agentes físicos:

Varía poco entre los diferentes tipos de cementos: 3 3 3,15 gr/cm .

Son peligrosos el hielo y la cristalización de las sales, que, para formarse, desarrollan una presión de cristalización no siempre admisible. Por consiguiente, habrá que dar suficiente compacidad y riqueza al hormigón, o bien emplear adiciones específicas.

- Fraguado: Se caracteriza por el paso de la pasta, del estado fluido al sólido. Reaccionan primero los aluminatos y a continuación los silicatos. El regulador de fraguado evita el fraguado relámpago. El falso fraguado se produce entre el primero y el quinto minuto, debido a la hidratación parcial del polvo de yeso (regulador), que endurece por el excesivo

- Resistencia a agentes químicos: - Gases carbónicos o humos que contengan CO2 y SO3. Aguas puras, turbias, ácidas, selenitosas y marinas. - Compuestos fluidos o sólidos orgánicos, como hidratos 5

de carbono, aceites, grasas, azúcar, etc. Todos ellos pueden producir disoluciones, o dar lugar a la aparición de sales o de fenómenos expansivos. La solución frente a las aguas puras o ácidas puede ser aumentar la proporción de SC2 y disminuir el SC3. Contra las aguas selenitosas o marinas, reduciendo el AC3 o aumentando el AFC4 D)

Tipos y especificaciones de los cementos: el Pliego RC

El Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos (RC-02) se extiende, con carácter obligatorio, a las recepciones de cemento en todas las obras, tanto de la Administración pública como las de ámbito privado. También se aplica, con el mismo ámbito, a la recepción de cementos para productos prefabricados. - Tipos de cementos: Actualmente se contemplan cinco tipos básicos de cementos que pueden utilizarse en obras de edificación: - I, denominado Cemento Pórtland y designado: CEM I - II; Cemento Pórtland con adiciones; CEM II - III; Cemento Pórtland con escorias de alto horno; CEM III - IV; Cemento puzolánico; CEM IV - V; Cemento compuesto; CEM V Las adiciones pueden ser: - Escoria de alto horno S - Humo de sílice D - Puzolana natural P - Puzolana natural calcinada Q - Ceniza volante silícea V - Ceniza volante calcárea W - Esquisto calcinado T - Caliza L

- Tipos de cemento especiales - Resistentes a sulfatos (SR): son realmente cualquiera de los tipos I a V, descritos (salvo los CEM III/B y/C que siempre son resistentes a sulfatos), con la condición de que su clínker cumpla dos condiciones: C3A ≤ 5-8%, y C3A + C4AF ≤ 22-25% - Resistentes al agua de mar (MR): cualquiera de los tipos I a V, descritos (salvo los CEM III/B y/C que siempre son resistentes al agua de mar), con la condición de que su clínker cumpla dos condiciones: C3A ≤ 5-10%, y C3A + C4AF ≤ 22-25% - De bajo calor de hidratación (BC): cualquiera de los tipos I a V descritos, que a la edad de 5 días desarrollan una energía térmica inferior a 65 cal/g.

Los tipos de cemento II a V tienen varios subtipos, según las adiciones que intervienen y su proporción en el producto. Estos subtipos pueden ser A, B o C, según el contenido creciente de las adiciones o mezcla de adiciones. Por ejemplo: CEM II/B-V es la designación del cemento tipo II con adición de ceniza volante silícea en mayor proporción (en este caso sería 65 a 79% de clínker de Pórtland y 21-35% de dicha adición).

- Blanco (BL): cualquiera de los tipos I a V, que cumplan el correspondiente ensayo. Suelen carecer del FAC3.

- Categorías de cementos Indican la resistencia a compresión, según el ensayo descrito anteriormente. Hay tres clases de resistencia 2 posibles: 32,5, 42,5 y 52,5 Mpa o N/mm . Cada una tiene dos posibles subtipos: N y R (normal o rápido) si se quiere, en el segundo, caso mayor resistencia inicial, medida a los 2 días, mientras que las resistencias normales se evalúan a los 28 días. - Aplicaciones de los cementos 6