5. Cementos - Apuntes 5 PDF

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Apuntes de teoría de Materiales de Construcción de la Ud. Cementos. Profesor Eduardo Lahoz...

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UNIDAD 5

CEMENTO

1. Cementos artificiales. Materias primas. Conglomerantes hidráulicos (naturaleza inorgánica y mineral) finamente molidos, que amasados con agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos resistentes y estables, al aire y/ o bajo el agua.

2. Cementos artificiales. Fabricación. 4 Fases principales: 1. Obtención y trituración de las materias primas a. Extracción ( voladura, excavadora) y clasificación. b. Trituración hasta obtener granulometría desecada. c. Traslado y almacenamiento para homogeneización. 2. Homogeneización, molienda del “crudo”, y precalentamiento (hasta 1000º del crudo). a. Almacenamiento por capas uniformes para selección. b. Molturación en molinos para reducir tamaño y favorecer cocción. c. Almacenamiento en silo del material crudo sin cocer (“harina”) 3. Formación de clínker en horno y enfriamiento posterior a. Tubo rotatorio dónde se producen a 1500º las reacciones químicas que dan lugar el clínker. b. Llamar alimentados con combustibles tradicionales o no. c. Reducción de 1500 a 100 ºC d. Aire caliente circulando hacia el horno para gastar menos energía y no calentar al enfriador. e. salida del clínker. 4. Molienda de clínker, mezcla de adicciones/ aditivos y expedición. a. Mezcla con yeso y adiciones en las proporciones adecuadas dentro de un molino de cemento. b. Las distintas calidades y tipos del cemento se obtienen con la adición de materiales como escorias de alto horno, humo de sílice, puzolanas naturales, cenizas volantes y caliza. c. Almacenaje y expedición.

5.1

3. Componentes principales y secundarios de cementos El clÍnker componente principal del cemento: confiere las propiedades resistentes. Adicciones: a veces sustituyen parcialmente al clinker: puzolana, ceniza volante, escoria de alto horno y caliza. CLÍNKER Materia prima del cemento formada por un producto granulado ( ø = 5-25 mm)Resultante de la calcinación conjunta de calizas y/ o dolomía (∿75%) y arcillas (∿25%) a una temperatura de ∿1450º ● La caliza proporciona el constituyente básico, la arcilla los ácidos En el fraguado del cemento existe reacción exotérmica por lo que hay evaporación y salen poros. Fases del clínker (I): Composición tipo (% peso): ● Silicato tricálcico (C 3 S = 3CaO · SiO2 ): 45-70  (Mayoritario) Aporta la resistencia inicial una vez que el fraguado ha comenzado. ● Silicato bicálcico (C 2 S = 2CaO · SiO2 ):  10-35 Aporta resistencia a un ritmo menor, mayor estabilidad química y durabilidad (menor calor en el fraguado por lo que menos poros) ● Aluminato tricálcico (C 3 A = 3CaO · Al 2O 3 ): 4-6 Muy inestable, fraguado muy rápido por lo que genera mucho calor y mucho poros. Se le añade yeso al cemento que genera menos calor. Alta retracción. ● Ferroaluminato tetracálcico (C 4 AF = 4CaO · Al 2O 3 · F e2 O3 ):  10-15 Gris verdoso, fraguado lento. Aporta resistencia química. ● Otros: Óxido de magnesio (M), óxido de calcio=cal libre (C)

 ≤2

Fases del clínker: CS(~80%) + CA (~20%)

5.2

Propiedades del cemento dadas por los componentes clínker • Resistencia mecánica a compresión • Estabilidad química: Resistencia del cemento vs los agentes agresivos. • Estabilidad de volumen: Limitando cambios dimensionales durante el fraguado y el endurecimiento, que se reflejan en retracciones o expansiones, dando lugar a posibles fisuras, agrietamientos, etc (deterioro) en el conglomerado • Calor de hidratación: Calorías desprendidas por el cemento en su hidratación. Determina, en unas condiciones dadas , la temperatura de la masa durante su fraguado y endurecimiento. • Velocidad de hidratación: Rapidez con que se produce la hidratación del cemento. Condiciona el ritmo del fraguado y endurecimiento y por tanto, las resistencias mecánicas a corto y largo plazo.

*Componentes secundarios del clínker : • Son inestables e indeseables. Porcentaje limitado por normativa. • Cal libre (CaO). La que no se ha combinado con la sílice o la Alúmina. Hasta un 2% se hidrata en el amasado, el resto produce expansión. Cuanto menor presencia de CaO, mayor calidad del clínker • Álcalis. Na2O y K2O. Pueden reaccionar con los áridos del hormigón y con el SO3 para dar K2SO4- Na2SO4 que producen eflorescencias • Otros óxidos. De S, Mg, Ti, Cr, P, Ba y Sr

Componentes secundarios del cemento. Yeso • (CS’H2=SO4Ca.2H2O) (3-5 % cemento), también puede usarse SH, anhidrita II • Función: Regular el fraguado evitando el fraguado instantáneo del C3A, al retardar la hidratación de éste. • Efectos durante la hidratación: 1. Posible falso fraguado (sólo fragua yeso, no cemento): Solución: Reamasar mezcla 2. Formación “temporal” de etringita  primaria (sal de Ettringer) alrededor de silicatos del clínker-> retarda su contacto con el agua. Etringita incorpora gran cantidad de agua -> Aumenta su volumen Transformación posteriormente de etringita 1ª en monosulfato de calcio hidratado, que es permeable y permite la hidratación de los silicatos

ETRINGITA

5.3

ADICIONES Compuestos que se incorporan en la molienda para reducir cantidad de clínker necesaria y/o para adaptar algunas características físico-químicas al uso previsto del producto conglomerado final. • Pueden actuar: – Físicamente, ayudando a dispersar el cemento – Hidráulicamente, hidratándose al combinarse químicamente con agua y formando compuestos insolubles – Puzolánicamente, combinándose con la cal libre (CaO) • Pueden ser, según su hidraulicidad: – Básicas: Son hidráulicas por sí solas con suficiente y equilibrada cantidad de CaO y SiO2: ● Escorias  siderúrgicas (o de alto horno)(S) • Subproducto granulado del acero de alto horno • Enfriadas bruscamente con agua • Capacidad hidráulica “per se” • Más duras y densas que el clínker • En la hidratación del cemento: Forman más gel CSH (tobermorita) • Reducen la porosidad de la pasta • Mejora su durabilidad • Permiten reducir la relación a/c ●

Esquistos  calcinados(T) • Procedencia: – Rocas sílico-aluminosas y cálcicas con materia orgánica bituminosa – Calcinadas a 800ºC • Tienen propiedades hidráulicas similares al cemento portland

– Ácidas: No son hidráulicas por sí mismas. Con sílice reactiva, combinadas con la cal libre: ● Cenizas volantes silíceas (V) o calcáreas (W) • Precipitación electrostática o mecánica de las partículas pulverulentas arrastradas por los humos de la combustión del carbón en centrales térmicas • Pueden ser silíceas (V) o calcáreas (W) – Composición silíceas: 50% (S) + 30%(A) + resto F Ejemplo: Cenizas volantes V • Aumentan el requerimiento de agua • Resultado: Pastas con poros más finos (mayor resistencia y menor permeabilidad) Nota: S = SiO2  O3  O3 A= Al2 F = Fe2 C = CaO ●

Humo de sílice • Humo de sílice o microsílice • Subproducto de producción de Si y de la metalurgia de las aleaciones Fe-Si, obtenido por reducción de cuarzo (SiO2) con C al condensar y filtrar los vapores de Si • Polvo grisáceo muy fino y activo • Acción puzolánica (véase puzolanas)

5.4

●

Puzolanas naturales (P) o calcinadas (Q) • Naturales (P) – Tierras volcánicas silíceas de carácter limoso (tobas, trasquitas…) • Artificiales (Q) – Arcillas activadas térmicamente 700-800ºC, (Metacaolín (producto obtenido de la calcinación controlada de la caolinita)) • Complementan al C3S y C2S combinándose con la C y CH a temperatura ambiente • Forman silicatos y aluminatos cálcicos insolubles • Reducen el calor de hidratación y mejoran la durabilidad

– Neutras: sin reacción con los componentes (filler): ● Caliza(filler)(L/LL) • Caliza (>75%CO3Ca) finamente molida (Ø...