Propiedades Del Cemento Portland
En la esfera de las especificaciones concernientes al cemento Portland, prevalece una destacada atención hacia la regulación de su composición química, así como hacia ciertas propiedades físicas determinantes, como lo indican los lineamientos presentes en las normativas NTC 121 y 321. En este contexto, resulta ineludible apreciar la relevancia que ostentan el conocimiento y la comprensión de dichas propiedades, puesto que inciden de manera sustancial en la adecuada interpretación de los resultados arrojados por los ensayos a los que se somete dicho cemento.
El Fraguado: ¿Qué es y como actúa?
El fraguado del cemento Portland se refiere al proceso químico y físico mediante el cual una mezcla de cemento y agua cambia de su estado inicial líquido o plástico a un estado sólido y cohesivo. Este proceso es esencial en la formación de concreto y mortero, ya que establece la transición desde una sustancia moldeable hasta una estructura sólida con resistencia mecánica.
El fraguado es un proceso multifacético que involucra diversas reacciones químicas y cambios en la estructura microscópica de los componentes del cemento. Inmediatamente después de la mezcla con agua, los compuestos reactivos presentes en el cemento, como los silicatos cálcicos (C3S y C2S) y los aluminatos cálcicos (C3A y C4AF), comienzan a hidratarse. Durante esta hidratación, los iones liberados por los compuestos se combinan con las moléculas de agua para formar productos de hidratación, como los silicatos y aluminatos hidratados, además de los hidróxidos de calcio.
A medida que estos productos de hidratación se desarrollan, la pasta de cemento experimenta un cambio en su estado físico y propiedades. En las etapas iniciales, la pasta adquiere una consistencia viscosa y gana cohesión, lo que se conoce como “fraguado inicial”. Esta fase inicial es crucial para la manipulación y colocación del material en la construcción.
Con el tiempo, los productos de hidratación continúan desarrollándose y forman una red cristalina tridimensional en el interior de la pasta. Esto conduce a un aumento gradual en la resistencia y la rigidez del material. El punto en el que la pasta alcanza la resistencia suficiente para soportar cargas adicionales marca el “fraguado final”. En esta etapa, la pasta se ha transformado en una estructura sólida y coherente que tiene la capacidad de resistir esfuerzos mecánicos y cargas externas.
El proceso de fraguado del cemento Portland es influido por varios factores, como la composición del cemento, la relación agua-cemento, la temperatura ambiente y la humedad. Comprender y controlar el proceso de fraguado es fundamental para lograr la manipulación adecuada del material durante la construcción y para garantizar que las estructuras construidas adquieran la resistencia y la durabilidad deseadas con el tiempo.
Falso fraguado: Aprende a reconocerlo
El falso fraguado es un efecto que todo Arquitecto así como Ingeniero Civil debe conocer; en el contexto del cemento Portland se refiere a una anormalidad que ocurre en las primeras etapas del proceso de hidratación, en el cual la mezcla de cemento y agua adquiere una rigidez inusual y prematura. Esto se caracteriza por la pérdida temprana de plasticidad y maleabilidad en la pasta de cemento recién mezclada, dando la impresión de que el material está fraguando, cuando en realidad no lo está. Es importante destacar que el falso fraguado es diferente del fraguado relámpago, que implica un verdadero fraguado, pero en un tiempo extraordinariamente corto.
Este fenómeno del falso fraguado se manifiesta mediante una brusca disminución de la trabajabilidad de la mezcla, acompañada de una escasa generación de calor. En otras palabras, la pasta de cemento comienza a volverse más rígida y menos moldeable poco después de la incorporación del agua, a pesar de que no ha habido una hidratación significativa de los compuestos del cemento.
Una característica distintiva del falso fraguado es que, si la pasta endurecida se vuelve a mezclar sin añadir más agua, recupera su maleabilidad y puede fraguar normalmente sin perder su capacidad de adquirir resistencia mecánica. Sin embargo, si el proceso continúa sin recuperar su trabajabilidad y comienza a liberar calor de manera apreciable, se considera que ha ocurrido un verdadero fraguado, pero en un período de tiempo excepcionalmente corto.
En proyectos de construcción, un falso fraguado pronunciado puede generar dificultades en la manipulación y colocación de la mezcla de cemento, especialmente en situaciones donde la mezcla se realiza por períodos cortos y se transporta sin un agitador eficiente. No obstante, en circunstancias en las que la mezcla de concreto se extiende en el tiempo, como en camiones mezcladores o cuando se realiza un remezclado antes de su colocación, el efecto del falso fraguado tiende a ser menos problemático.
Para prevenir o mitigar el falso fraguado, es importante evaluar cuidadosamente la composición del cemento y la relación agua-cemento, así como considerar el ambiente y las condiciones de mezclado. Con un conocimiento sólido y una gestión adecuada, los profesionales de la construcción pueden minimizar los impactos negativos del falso fraguado y garantizar una manipulación y colocación eficiente del cemento en sus proyectos.
Densidad del cemento
En el mundo de la ingeniería civil y materiales de construcción, uno de los aspectos cruciales a considerar es la densidad del cemento Portland. Esta propiedad exhibe una variabilidad típicamente comprendida en el rango de 2,90 a 3,20 g/cm3. Esta variación se encuentra influenciada en gran medida por la cantidad y densidad de los materiales puzolánicos que se incorporan al cemento durante su producción.
Es esencial destacar que, si bien la densidad es un factor importante, no debe tomarse como un indicador directo de la calidad del cemento. En cambio, su principal papel radica en dos aspectos fundamentales: la dosificación precisa en mezclas y el riguroso control del proceso de mezclado. La relación entre la densidad y la calidad es más compleja, donde otros factores, como resistencia, durabilidad y características de fraguado, son también determinantes clave.
El método típico para evaluar la densidad del cemento implica el empleo del frasco de Le Chatelier, de acuerdo con la norma técnica NTC 221. Este frasco ingenioso posibilita la medición del volumen correspondiente a una masa fija de cemento (generalmente 64 g) mediante el desplazamiento de un líquido contenido en su interior. Es importante mencionar que el líquido utilizado en este procedimiento debe ser kerosene exento de agua o nafta, con una gravedad no inferior a 62o API. La elección de este líquido se basa en la necesidad de evitar la iniciación prematura de las reacciones de hidratación en el cemento, que sería el resultado si se empleara agua.
Finura de sus partículas
Esta propiedad, que se vincula estrechamente con el desarrollo de resistencia y la liberación de calor, presenta una interacción compleja que merece un análisis detallado.
El papel fundamental de la finura en el cemento radica en su capacidad para influir directamente en la resistencia que puede desarrollar. Es un hecho conocido que cuanto más fino es el cemento, mayor es su capacidad de lograr una resistencia óptima. No obstante, este aumento en la resistencia viene acompañado de una liberación más intensa de calor. El entendimiento de esta relación se encuentra en la peculiaridad de los granos gruesos frente a los finos en el proceso de hidratación.
Los granos gruesos de cemento pueden perdurar durante años sin hidratarse completamente, lo que puede resultar en una resistencia sub-óptima. En contraste, la finura desempeña un papel crucial al maximizar la cantidad de material que se hidrata. Esto se debe a que, al ser más fino el cemento, la superficie total de contacto con el agua se incrementa significativamente. Este aumento en la interacción entre el cemento y el agua conduce a una hidratación más amplia de la masa total de cemento. Como resultado, se logra un desarrollo más elevado de la resistencia deseada. No obstante, es importante tener en cuenta que esta hidratación intensiva también genera una liberación proporcionalmente mayor de calor.
La medición de la finura se lleva a cabo mediante la determinación del área de las partículas presentes en una unidad de masa del material, un parámetro conocido como “Superficie Específica”. Las unidades típicas para esta medida son el cm2/g o el m2/kg. La evaluación de la finura en el cemento puede realizarse mediante diferentes métodos. El tamizado, siguiendo las normas técnicas NTC 226 o 294, es una de las opciones, permitiendo la clasificación según el tamaño de las partículas. Además, el permeámetro de Blaine (NTC 33) y el turbidímetro de Wagner (NTC 597) también son herramientas de elección para determinar la finura, proporcionando información valiosa para garantizar la calidad y el rendimiento del cemento en aplicaciones ingenieriles.
Consistencia normal
Una propiedad crítica que requiere una atención minuciosa es la consistencia normal de la pasta de cemento, un factor que impacta directamente en propiedades clave como los tiempos de fraguado y la estabilidad volumétrica.
Para lograr una comprensión precisa de las propiedades del cemento, se lleva a cabo un proceso crucial: la creación de una mezcla de cemento y agua, conocida como pasta. Dado que las características de esta pasta se ven influenciadas por las proporciones precisas de sus componentes, es necesario preparar una pasta “normalizada” que refleje una hidratación óptima del cemento. A esta pasta se le denomina “pasta de consistencia normal”.
La determinación de la pasta de consistencia normal se lleva a cabo siguiendo las directrices establecidas por la norma técnica NTC 110, un procedimiento riguroso que permite alcanzar un nivel de precisión adecuado. El ensayo consiste en identificar la proporción de agua en relación con la masa de cemento utilizada, generalmente 500 g. El objetivo es lograr que, al ubicar esta pasta en el dispositivo “Vicat”, una sonda con un diámetro de 1 cm y una masa total de 300 g penetre en la pasta a una profundidad de 10±1 mm en un período de 30 segundos. Esta profundidad y velocidad de penetración son indicadores clave de la consistencia deseada.
En la práctica, el porcentaje de agua en la pasta de consistencia normal tiende a variar en un rango entre el 23% y el 33% con respecto a la masa de cemento utilizada. Esta variabilidad permite ajustar las propiedades de la pasta de manera que sea representativa de las condiciones reales de uso y permita una hidratación y un desempeño óptimos.
Calor de Hidratación en el Cemento Portland
El término “calor de hidratación” hace referencia a la energía térmica liberada durante las reacciones de hidratación que acontecen al combinar cemento y agua. Esta manifestación de calor es un factor de suma relevancia que posee variados efectos en la producción y utilización del concreto.
La magnitud del calor de hidratación generado depende principalmente de la composición química del cemento. Por su parte, la velocidad a la que se genera este calor se encuentra influenciada por la finura del cemento, la temperatura de curado y su inherente composición química.
Las reacciones químicas de hidratación del cemento se caracterizan por ser exotérmicas, en otras palabras, liberan calor. Esta liberación energética puede llegar a alcanzar hasta 500 joules por gramo (equivalentes a 120 calorías por gramo). Dado que el concreto exhibe una baja conductividad térmica, adquiere un comportamiento aislante. En estructuras voluminosas de concreto, el proceso de hidratación puede inducir un notable aumento en la temperatura interna. No obstante, la superficie exterior del concreto podría disipar parte del calor, engendrando así un gradiente térmico. Durante el subsiguiente enfriamiento del núcleo del concreto, se pueden suscitar fisuras de entidad. Este aspecto cobra particular importancia en estructuras de gran envergadura, donde la rapidez y la cantidad de calor generado representan factores determinantes. En ausencia de una disipación eficiente del calor, podría desencadenarse un elevado incremento de la temperatura en el concreto, con el añadido riesgo de dilatación térmica.
Por otro lado, el calor desprendido por la hidratación puede resultar beneficioso para prevenir la congelación del agua en los capilares del concreto cuando se aplica en ambientes fríos. No obstante, también podría propiciar contracciones y tensiones indeseadas durante el subsiguiente enfriamiento del concreto endurecido a temperatura ambiente, generando el fenómeno conocido como retracción de fraguado.
Al considerar la selección y el uso adecuado del cemento, resulta fundamental ponderar las propiedades generadoras de calor de las distintas variedades de cemento disponibles. La comprensión de cómo los diversos tipos de cemento liberan calor durante el proceso de hidratación contribuye a la elección idónea en cada aplicación, evitando problemáticas ligadas a una liberación de calor en exceso o insuficiente, bajo diferentes condiciones ambientales y de construcción.
En caso de ser poco deseable el calor de hidratación del cemento se puede utilizar el tipo de “bajo calor de hidratación” véase en el post de Cemento: Todo lo que debes saber.
Estabilidad volumétrica
Este concepto se refiere a la capacidad del cemento de mantener un volumen relativamente constante después de haber completado el proceso de fraguado y endurecimiento. La estabilidad volumétrica es crucial para garantizar la integridad y la durabilidad de las estructuras construidas con cemento.
El término “cemento expansivo” se utiliza para describir el cemento que experimenta expansiones significativas después del proceso de fraguado. Este defecto es sumamente problemático, ya que puede comprometer gravemente la calidad y la seguridad de las estructuras construidas con dicho cemento.
La pasta de cemento, una vez que ha fraguado y endurecido, debe mantener su volumen en mayor medida posible. Esto es fundamental porque cambios bruscos en el volumen pueden llevar a tensiones internas en el material. En situaciones en las que hay un cambio volumétrico considerable, como una expansión apreciable, las tensiones internas pueden ser lo suficientemente altas como para causar la fractura del material endurecido. Estas expansiones pueden surgir debido a reacciones retardadas o lentas de hidratación, o a la reactividad de compuestos presentes en el cemento endurecido, como el CaO (óxido de calcio), el MgO (óxido de magnesio) o el CaSO4 (yeso).
La estabilidad volumétrica del cemento es esencial para la integridad de las estructuras de concreto y mortero. Los problemas de expansión excesiva pueden poner en riesgo la durabilidad y la seguridad de las obras construidas. Por lo tanto, es fundamental seleccionar y utilizar cuidadosamente cementos que muestren una estabilidad volumétrica adecuada y que minimicen los riesgos asociados con cambios no controlados en el volumen del material endurecido
Resistencia del cemento
La resistencia mecánica que el cemento adquiere una vez que ha endurecido es, indudablemente, una de las características más destacadas en lo que respecta a sus requisitos para aplicaciones estructurales. Por lo tanto, no resulta sorprendente que las evaluaciones de resistencia desempeñen un papel esencial en todas las especificaciones relacionadas con el cemento.
La capacidad de un mortero o concreto para soportar cargas radica en la cohesión inherente de la pasta de cemento, su habilidad para adherirse a las partículas de los agregados y, en cierta medida, en la resistencia misma del agregado utilizado.
No se realizan pruebas directas de resistencia en la pasta de cemento pura, principalmente debido a las complejidades experimentales que rodean el proceso de moldeado, y que podrían conducir a una variabilidad sustancial en los resultados obtenidos. En su lugar, para evaluar la fortaleza del cemento, se utilizan morteros. Estos morteros comprenden una mezcla específica de agua, cemento y agregado fino, y se elaboran siguiendo procedimientos precisos bajo condiciones estrictamente controladas.
Diversos métodos de pruebas se emplean para medir la resistencia, como pruebas de tensión directa, compresión directa y flexión. En particular, las pruebas de flexión se utilizan para determinar la resistencia a la tensión por flexión, ya que es ampliamente aceptado que la pasta de cemento muestra una resistencia significativamente mayor a la compresión que a la tensión.
NOTA: Las pruebas y ensayos especificados en el post, se rigen por la normativa técnica colombiana (NTC); puede variar dependiendo del país.
Bibliografía
NTC 121 y 321: Normativa técnica relevante para las especificaciones del cemento Portland.
NTC 221: Norma técnica que describe el método para evaluar la densidad del cemento utilizando el frasco de Le Chatelier.
NTC 226 o 294: Normativas técnicas que establecen métodos para determinar la finura del cemento, a través del tamizado.
NTC 33: Norma técnica que describe el uso del permeámetro de Blaine para medir la finura del cemento.
NTC 597: Norma técnica que describe el uso del turbidímetro de Wagner para medir la finura del cemento.
NTC 110: Norma técnica que establece el procedimiento para determinar la consistencia normal de la pasta de cemento utilizando el dispositivo “Vicat”.
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