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Evaluación de propiedades físico mecánicas en morteros de albañilería a partir de cementos con sustituciones de clínquer por arcillas calcinadas y caliza

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de diploma Título: Evaluación de propiedades físico-mecánicas en morteros de albañilería a partir de cementos con sustituciones de clínquer por arcillas calcinadas y caliza.. Autora: Claudia María Rodríguez Rodríguez. Tutores: Msc. Arq. Yoandi Lima Triana Dra. Arq. Dania Betancourt Cura. Santa Clara 2014.

(2) Pensamiento. Pensamiento. Toda obra grande, en arte como en la ciencia, es el resultado de una gran pasión puesta al servicio de una gran idea. S. Ramón y Cajal.. I.

(3) Dedicatoria Dedicatoria. A mis padres, porque me siento orgullosa de ellos.. II.

(4) Agradecimientos Agradecimientos A mis padres, por estar siempre a mi lado. A mis tutores Yoandi Lima y Dania Betancourt por su apoyo y ayuda. Al tutor de Kety. A toda mi familia por tanta preocupación, en especial a Melba y Margarita. A Salvador por su apoyo y ayuda sin límite; por estar a mi lado. A los trabajadores de La Fábrica de Cemento en Siguaney, especialmente a Roberto y María Luisa. Al equipo de trabajo de la ENIA, en especial a Irelys, Marita y Solís. A mis compañeros de aula por estos cinco años inolvidables, en especial a Claudia, Kety y Lauren. A todas mis amistades, que han contribuido con la realización de este sueño. A todos los amigos de la familia que me han ayudado y han confiado en mí, en especial Bárbaro. A los profesores que durante estos cinco años han contribuido a mi educación y formación profesional, especialmente a Rolando Lima y Raúl Gonzales. ¡Gracias por todo!. III.

(5) Resumen Resumen El trabajo presenta la evaluación. del. comportamiento. físico-mecánico de morteros. fabricados con dos nuevos aglomerantes, formulados sobre la base del sistema clínquerarcilla calcinada-carbonato de calcio. La fabricación de los cementos se realizó a escala de laboratorio. Estos presentan sustituciones de 60 y 75% de clínquer por arcilla calcinada y caliza para ser utilizados como cementos de albañilería, los cuales cumplen con los requerimientos físico-mecánicos exigidos por las normativas nacionales e internacionales, resultando ser la finura del aglomerante el factor más influyente en la laborabilidad de las mezclas. Las materias primas utilizadas son procedentes de la fábrica de cemento Siguaney, caracterizadas en su laboratorio. La reactividad puzolánica de los productos de calcinación se evaluó por el método de Calorimetría Isotérmica y la reología de las muestras patrón se analizó por el ensayo de Minicono. Los áridos empleados para la fabricación de las probetas prismáticas fueron seleccionados de las canteras Purio y Arimao, caracterizados en la Empresa. Nacional. de Investigaciones. Aplicadas, y fueron combinados en las. dosificaciones seleccionadas con la cal proveniente de Palenque. Las mezclas de morteros diseñadas fueron tipo II y tipo III, elaboradas con los cementos producidos, empleando como referencia el PP-25. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión, así como los de absorción capilar. fueron. analizados. estadísticamente mediante el programa Statgraphics, demostrando la influencia de cada tipo. de cemento y áridos empleados en dichos parámetros. Las probetas prismáticas. presentan un comportamiento físico-mecánico que satisface los requisitos exigidos en las normativas vigentes.. IV.

(6) Abstract Abstract This paper presents the evaluation of the physical-mechanical behavior of mortars made with two new binders, created on the basis of the clinker- calcined clay- calcium carbonate system. The cements were manufactured at laboratory scale. In the process, clinker was replaced in a 60 to 75 % by calcined clay and lime stone. This way, the cements could be used as masonry cements, being named SIG B-60 and SIG B-75. These cements fulfill the physical - mechanical requests demanded by the national and international regulations, turning out to be the fineness of the binder the most influential factor in the workability of the mixtures. The raw materials that were used, come from the cement factory Siguaney, and they were characterized in the laboratory of the entity. The puzzolanic reactivity of the calcination products was assessed by the method of Isothermal Calorimetry, and the essay of Minicone analyzed the rheology of the standard samples. The aggregates used in the manufacture of the prisms were selected from the quarries in El Purio and Arimao, and characterized in the Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas. They were combined in the chosen dosages, with lime from Palenque. The mortar mixes were designed Type II and Type III, prepared with the produced cements, using as reference the PP 25. The results of the compressive strength tests, as well as those of capillary absorption were statistically analyzed by means of the program Statgraphics, showing the influence of each type of cement and aggregates used in these parameters. The prisms have a physical-mechanical behavior that meets the requirements of current legislation.. V.

(7) Índice Índice Pensamiento ........................................................................................................................... II Dedicatoria ............................................................................................................................. II Agradecimientos .................................................................................................................... III Resumen. ............................................................................................................................. IV Abstract… ................................................................................... ……………………………….V Índice……. ............................................................................................................................ VI Introducción ............................................................................................................................ 1 Capítulo I: Fundamentos teóricos sobre la fabricación de cementos ternarios, para su aplicación en morteros de albañilería. ..................................................................................... 6 1.1. Producción de Cemento Portland. Generalidades. .................................................... 6. 1.2. Materiales Cementicios Suplementarios .................................................................... 7. 1.2.1 Las arcillas calcinadas y el carbonato de calcio......................................................... 8 1.2.2 Puzolanas ................................................................................................................. 9 1.3. Cementos ternarios con arcillas calcinadas. ........................................................ 10. 1.4. El Sistema clínquer-arcillas calcinadas -carbonato de calcio ................................... 11. 1.4.1 La hidratación del cemento Portland ....................................................................... 11 1.4.2 La reacción puzolánica ............................................................................................ 13 1.5. Especificaciones para cementos de albañilería ...................................................... 14. 1.6. Cemento de bajo carbono (CBC). ........................................................................... 18. 1.7. Morteros de albañilería. Generalidades ................................................................... 19. 1.7.1 Definición de mortero ............................................................................................. 19 1.7.2 Morteros de cemento .............................................................................................. 20 1.7.3 Morteros de albañilería ............................................................................................ 20 1.7.4 Clasificación de los morteros ................................................................................... 21 1.7.5 Propiedades de los morteros ................................................................................... 22 1.7.6 Dosificación según la norma cubana NC175:2002 .................................................. 24 1.8. Técnicas y métodos de ensayo ............................................................................... 25. VI.

(8) Índice 1.8.1 Ensayos que se le realizan al cemento según la norma cubana NC95:2011. .......... 25 1.8.2 Métodos de ensayos para la evaluación de morteros de albañilería según NC 175:2002. .......................................................................................................................... 26 1.9. Conclusiones parciales............................................................................................ 30. Capítulo II: Fabricación y empleo de cementos ternarios con sustituciones de clínquer para su utilización en morteros de albañilería ............................................................................... 32 2.. Materiales y métodos.............................................................................................. 32 2.1. Generalidades. ........................................................................................................ 32. 2.2. Diseño de Experimento ........................................................................................... 32. 2.3. Selección y caracterización de las materias primas. ........................................ 34. 2.3.1 Arcilla calcinada con adición de caliza ..................................................................... 35 2.3.2 Caliza ...................................................................................................................... 35 2.3.3 Clínquer .................................................................................................................. 36 2.3.4 Yeso ........................................................................................................................ 36 2.3.5 Árido triturado del Purio ........................................................................................... 36 2.3.6 Árido natural de Arimao ........................................................................................... 38 2.3.7 Árido normalizado ................................................................................................... 39 2.3.8 Cal .......................................................................................................................... 39 2.3.9 Agua........................................................................................................................ 40 2.3.10Cemento de referencia ............................................................................................ 40 2.4. Protocolo de molienda para la producción de los cementos. ................................... 41. 2.5. Ensayos para la caracterización del cemento .......................................................... 42. 2.5.1 Peso Específico (g/cm2)......................................................................................... 42 2.5.2 Expansión (mm) ...................................................................................................... 42 2.5.3 Finura (% pasado tamiz 90µm) ............................................................................... 42 2.5.4 Superficie específica ............................................................................................... 42 2.5.5 Determinación del fraguado inicial y final:................................................................ 42 2.5.6 Ensayo de resistencia mecánica. ............................................................................ 43. VII.

(9) Índice 2.6. Ensayos en pastas de cemento............................................................................... 44. 2.6.1 Minicono .................................................................................................................. 44 2.6.2 Calorimetría Isotérmica ........................................................................................... 45 2.7. Ensayos a morteros ................................................................................................ 45. 2.7.1 Producción de probetas prismáticas ........................................................................ 45 2.7.1.1 Con árido natural de Arimao y triturado del Purio .................................................... 45 2.7.1.2 Determinación de la consistencia ............................................................................ 46 2.7.1.3 Ensayo de resistencia a compresión ....................................................................... 47 2.7.1.4 Determinación de la absorción de agua por capilaridad .......................................... 48 2.7.1.5 Ensayo de Carbonatación ....................................................................................... 48 2.8. Conclusiones parciales............................................................................................ 49. Capítulo III: Análisis del comportamiento físico-mecánico, de morteros de albañilería con aglomerantes de cementos con sustituciones de clínquer .................................................... 50 3.. Generalidades. ....................................................................................................... 50 3.1.. Análisis de los resultados de los aglomerantes. ...................................................... 50. 3.1.1 Ensayos de caracterización ..................................................................................... 50 3.1.2 Ensayos de resistencia físico-mecánica .................................................................. 51 3.2. Análisis de los resultados en pastas. ....................................................................... 52. 3.2.1 Ensayo del Minicono ............................................................................................... 52 3.2.2 Calorimetría Isotérmica ........................................................................................... 54 3.3. Análisis de los resultados de morteros. ................................................................... 56. 3.3.1 Análisis de los resultados obtenidos del ensayo de resistencia a compresión ......... 56 3.3.2 Análisis de los resultados obtenidos del ensayo de Absorción Capilar .................... 59 3.3.3 Análisis de los resultados obtenidos del ensayo de Carbonatación ......................... 61 3.4. Conclusiones parciales............................................................................................ 63. Conclusiones generales........................................................................................................ 64 Recomendaciones ................................................................................................................ 65 Bibliografía............................................................................................................................ 66 Anexos….. ............................................................................................................................ 70 Glosario de la notación química simplificada utilizada........................................................... 90. VIII.

(10) Introducción Introducción El cemento Portland es un material que se fabrica aproximadamente en 150 países, principalmente en Asia, Europa,. y el. Medio Oriente. El volumen de producción del. cemento Portland para el 2020 aumentará entre el 120-180%.(Vanderley, (2002)) Este creciente aumento de su producción lo hace responsable de cerca del 7 % de las emisiones de CO2 y del 5 % del consumo de energía en el sector industrial. Aunque es uno de los elementos que más ha contribuido al desarrollo de la humanidad, ha resultado ser uno de los principales responsables de la degradación ambiental del planeta, debido a su proceso productivo que, en lo fundamental, está montado sobre la base de la explotación intensiva de recursos no renovables y en el cual se emiten significativos volúmenes de gases de efecto invernadero.(Martirena, (2003)) (Hendriks, 1998, Pierre-Claude, 2000, Vanderley, (2002)) Estos son los principales factores que influyen de forma negativa en sus costos y sostenibilidad ambiental. Ante esta problemática la industria del cemento ha adoptado una serie de estrategias dentro de las que se encuentran la modernización tecnológica, el uso de combustibles alternativos y el empleo de materiales cementicios suplementarios (MCS) en sustitución del clínquer; siendo esta última la opción más viable para la Industria cubana, pues requiere de menores inversiones a corto plazo.(Alujas, (2010), Castillo, (2010), Scrivener, (2008), Fernández, (2013)). En Cuba como resultado de ajustes tecnológicos de la producción del cemento se busca economizar el combustible tradicional y minimizar los efectos que provoca al medio ambiente. Para ello, el país ha llevado a cabo varios estudios enfocados en la producción de nuevos cementos, de limitado contenido de clínquer, por una mezcla del material conocido como metacaolín y piedra caliza, esta última sin calcinar, hecho que evita la posible emisión de toneladas de CO2 a la atmósfera. (Pérez Cabrera, (2013), Alujas, (2010), Martirena, (2003)). Los cementos de albañilería son usados principalmente en la preparación de morteros producidos a nivel mundial, ya que su elaboración y proceso de producción poseen un costo menor que el de los cementos con fines estructurales, existiendo hoy en día variadas clases de morteros de cemento que ofrecen distintas formas y propiedades químicas y mecánicas que son aplicadas a obras con características particulares de diversos tipos.(Bustillo. Revuelta, 2005) En la actualidad varios países han encontrado vías de. 1.

(11) Introducción producción para estos cementos procurando el desarrollo sostenible de la humanidad mediante la sustitución del clínquer por materias primas de fácil obtención. Los morteros de albañilería de cemento Portland y adiciones han surgido como el material adecuado para la construcción de gran número y variedad de estructuras en el mundo de hoy. Estos nuevos cementos en nuestro país serán aplicados como componentes de los morteros de albañilería. El presente trabajo dirige su interés al estudio y la evaluación de morteros de albañilería utilizando cementos con volúmenes de sustitución de clínquer, cumpliendo con las especificaciones de la norma cubana NC175:2002 Morteros de Albañilería. Especificaciones. Situación Problémica: Cuba en el 2012 produjo 1378.6 millones de t de cemento P-35, lo que representa el 75% de la producción anual (1824 M t), y 446 millones de t de cemento PP-25, que representan el 25% de la producción anual (1824 M t). Para el 2016 se espera no existan condiciones en cuanto a cantidad de materia prima para cumplir con la demanda exigida, debido a los incrementos de la producción de cemento, por lo que se hace necesario aumentar la producción y uso de los cementos con adiciones así como el nivel de sustitución de clínquer en el cemento(Martirena, 2014). Aparejado a esto se han creado variantes del aglomerante de tipo puzolánico de calidad y prestaciones similares al cemento cubano PP-25, para los cuales no se han formulado dosificaciones. Investigadores del Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM), en conjunto con el Instituto Federal Politécnico de Laussana (EPFL), desde el 2009 realizan investigaciones sobre cementos con elevados porcentajes de sustitución de clínquer por arcillas calcinadas y caliza. Actualmente no se han llevado a la producción todas las variantes de sustituciones de clínquer necesarias para culminar el estudio. Dentro de este contexto, la presente investigación se plantea como problema científico: ¿Es posible mejorar el desempeño de los morteros de albañilería al emplear como aglomerante cementos ternarios con importantes volúmenes de sustitución de clínquer de 60 y 75% de acuerdo con las especificaciones de calidad de la norma cubana NC 175: 2002? Hipótesis Mediante el empleo de cementos con volúmenes de sustitución del 60 al 75% de clínquer por arcilla calcinada y caliza en la fabricación de morteros de albañilería, cumplimentar. las especificaciones. se logran. de la norma cubana NC 175: 2002. Morteros de. Albañilería.. 2.

(12) Introducción. Objetivo general. Evaluar el comportamiento de los morteros de albañilería elaborados con cementos ternarios con sustituciones del 60 y 75% del clínquer del Cemento Portland por arcillas calcinadas y calizas. Objetivos específicos 1. Establecer los fundamentos teóricos sobre los cementos con sustituciones de clínquer y su empleo potencial en morteros de albañilería. 2. Elaborar a escala de laboratorio, los cementos con un 60 y un 75% de sustitución de clínquer por una mezcla de arcilla calcinada–caliza en proporción 2:1, que cumplan con las especificaciones de la norma NC 95:2011 y NC 175:2002 Morteros de Albañilería. Especificaciones. 3. Evaluar el comportamiento de los morteros elaborados con cemento de un 60 y un 75% de sustitución de clínquer por una mezcla de arcilla calcinada – caliza en proporción 2:1, con el empleo de árido natural en diferentes dosificaciones. 4. Analizar los resultados de los ensayos físico-mecánicos realizados a los morteros empleando los cementos ternarios, y atendiendo a requerimientos establecidos por las normas vigentes. Tareas científicas: 1. Búsqueda bibliográfica que permita conocer el estado del arte de la temática a través de la revisión de la literatura más actualizada sobre el tema. 2. Selección y obtención de las materias primas a emplear. 3. Caracterización a las materias primas que se emplearán en la elaboración de los morteros. 4. Producción de cementos con 60 y 75% de sustitución de clínquer por arcilla calcinada y caliza como aglomerante fundamental del mortero. 5. Determinación de las características físico-mecánicas de los cementos a evaluar. 6. Fabricación de morteros con los aglomerantes diseñados atendiendo a los requerimientos de la NC 175:2002 Morteros de Albañilería. Especificaciones. 7. Evaluación de las propiedades físico-mecánicas de los morteros elaborados. 8. Análisis del comportamiento de los morteros a partir de los resultados obtenidos en los ensayos.. 3.

(13) Introducción Novedad Científica Se demuestra que los cementos con sustituciones entre el 60 y el 75% de clínquer por arcilla calcinada y caliza pueden ser utilizados como aglomerante fundamental en morteros de albañilería. Aportes Práctico: Se demuestra que las nuevas alternativas de materiales sustituyentes del clínquer presente en el Cemento Portland constituyen materias primas económicas y de abundante existencia y validan el uso del cemento con altos volúmenes de sustitución en morteros de albañilería. Teórico: El estudio y evaluación del empleo de los. cementos con altos volúmenes de. sustitución en los morteros de albañilería permitirá obtener resultados consistentes capaces de garantizar la credibilidad del producto para proveer el desarrollo de nuevas normas. Estructura de los capítulos Capítulo 1: Fundamentos teóricos sobre la fabricación de cementos ternarios para su aplicación en morteros de albañilería. Se presenta una revisión bibliográfica acerca de los cementos ternarios a base de arcillas caoliníticas de bajo grado de pureza. Se define la necesidad de la implementación de materiales cementicios suplementarios para la producción de cemento con altos niveles de sustitución de clínquer así como su aplicación en morteros de albañilería.. Capítulo 2: Fabricación y empleo de cementos ternarios con sustituciones de clínquer para su utilización en morteros de albañilería. Se describe el proceso de obtención de los cementos con 60 y 75% de sustitución de clínquer para su empleo como materia prima en morteros de albañilería. Se expone el diseño de experimentos y se elaboran los cementos que se emplearán en los morteros. Concluida esta etapa se caracterizan las materias primas que se utilizarán para los morteros, se lleva a cabo la elaboración de las probetas y se desarrollan los principales ensayos que permiten evaluar el comportamiento físico-mecánico de los morteros elaborados con cemento de bajo carbono.. Capítulo 3: Análisis del comportamiento físico-mecánico, de morteros de albañilería con aglomerantes de cementos con sustituciones de clínquer.. 4.

(14) Introducción Se exponen los resultados obtenidos en los ensayos y se comparan con la referencia de cemento Portland para evaluar si el cemento de bajo carbono cumple con las especificaciones de calidad establecidas en las normativas cubanas. Luego se presentan las conclusiones y las recomendaciones del trabajo.. 5.

(15) Capítulo I Capítulo I: Fundamentos teóricos sobre la fabricación de cementos ternarios, para su aplicación en morteros de albañilería. 1.1. Producción de Cemento Portland. Generalidades.. El nombre cemento procede del latín ¨caementun¨, que significa argamasa o mezcla. Es una sustancia adhesiva, natural o artificial, capaz de unir entre sí fragmentos o masas de materiales sólidos con una distribución granulométrica determinada, con las que se pueden formar masas plásticas, que generalmente reciben el nombre de agregado, formando un conjunto totalmente compacto. Así mismo con la masa plástica de cemento pueden unirse distintas piezas entre sí, realizarse recubrimientos, enlucir, realizar reparaciones, etc. (Crespo, 1990) El cemento se forma a partir de una mezcla de carbonato de calcio, aluminosilicatos u otros materiales de una composición global similar y con la reactividad suficiente, previamente molidos y homogeneizados en las cantidades necesarias. El cemento Portland es un aglomerante hidráulico inorgánico, que se obtiene a partir del clínquer, el cual se produce mediante la calcinación a 14800C de la arcilla. El clínquer está compuesto normalmente por cuatro fases principales: alita, belita, aluminato y ferrita. Algunas otras, como ciertos sulfatos de álcalis y óxido de calcio están presentes en menores proporciones(Castillo, (2010), Phair, (2006) , Pierre-Claude, 2000). A nivel mundial se calcula que las industrias cementeras producen más de 2500 millones de toneladas de cemento al año, lo que las hace responsables de la emisión del 7% de CO2 a la atmósfera y del 5% del consumo de energía en el sector industrial. Todo esto acentúa el fenómeno conocido como efecto invernadero, que reduce la emisión de calor al espacio y provoca un mayor calentamiento del planeta.(Mena Mederos, 2012) Esta situación es atenuada mediante implementación de procesos y tecnologías. más. eficientes, que han logrado reducir parcialmente algunas emisiones, correspondientes principalmente a la quema del combustible, y a la fabricación del clínquer, que ha mantenido un crecimiento constante, paralelo al incremento en la producción de CPO.(Alujas, (2010), Habert and Choupay, (2009)-b, Lorenzo and Goni, 2003) El cemento se encuentra difundido en todo el mundo por su importancia en la obras de ingeniería civil, ya que es la materia prima fundamental para la construcción en 150 países aproximadamente, principalmente en Asia, Europa y el Medio Oriente, este es reconocido como uno de los elementos que más ha contribuido al progreso de la humanidad, siendo asociado con el desarrollo socioeconómico de un país.(Hendriks, 1998).. 6.

(16) Capítulo I En el 2012 en nuestro país se produjeron 1378.6 millones de t de cemento P-35, lo que representa el 75% de la producción anual (1824 M t), y 446 millones de t de cemento PP-25, que representan el 25% de la producción anual (1824 M t). Para el 2016 se espera que no existan condiciones en cuanto a cantidad de materia prima para cumplir con la demanda exigida debido a los incrementos de la producción de cemento, por lo que se hace necesario aumentar la producción y. uso de los cementos con adiciones, así como el nivel de. sustitución de clínquer en el cemento(Martirena, 2014) En general la necesidad de reducir los costos de la producción de cemento, algo fundamental para el desarrollo socioeconómico del país, hace que surjan nuevos métodos y formulaciones del producto, no sólo para reducir el precio del mismo, sino también para contribuir al desarrollo sostenible de la vida en el planeta, al atenuar contaminantes. las emisiones. que surgen durante el proceso de producción. Surgen entonces como. alternativas las variantes de materiales cementicios suplementarios. 1.2. Materiales Cementicios Suplementarios. El desarrollo de las producciones de Cemento Portland Ordinario (CPO) a nivel mundial hace que surjan nuevas técnicas de elaboración del producto capaces de contribuir al desarrollo sostenible. Los estudios encaminados para la reducción de emisiones de CO2 pueden ser clasificados en dos grandes grupos: los necesarios para aumentar la eficiencia del proceso, disminuyendo el consumo de combustibles, y los orientados a extender el clínquer usando adiciones activas o inertes (MCS), que son añadidas en la fábrica o a la hora de utilizar el cemento. (Martirena, (2003)) Las adiciones minerales en la producción de cementos mezclados aportan beneficios ecológicos y contribuyen a mejorar las propiedades de los hormigones, tales como, menor calor de hidratación, resistencias mecánicas finales superiores, alta resistencia ante sulfatos, baja permeabilidad, así como baja reactividad álcali-agregado.(Lawrence, 2005) Con el empleo de adiciones se logran mejorar las características y propiedades de la pasta, hasta la implicación de sustituir determinados porcientos de clínquer de cemento Portland bajo el contexto actual de degradación ambiental. Estos materiales que se emplean para el suplemento constituían desechos industriales o simplemente estaban en la naturaleza en su estado natural sin explotar al máximo sus propiedades.(Morales, 2010) Existen a nivel mundial varios tipos de materiales cementicios suplementarios, las principales fuentes han sido los desechos de procesos industriales, entre ellos, las cenizas volantes pulverizadas, humo de silicio, y la escoria de alto horno granulada. La alta demanda de estos. 7.

(17) Capítulo I productos y su limitada disponibilidad, se ha reflejado en un incremento significativo de sus precios en el mercado. (Blanco, (2009), Salas, (2009), Nair, (2008)) El empleo de los materiales cementicios suplementarios como sustitutos parciales del contenido de clínquer,. trae consigo cambios en la estructura de poros, dado el efecto. puzolánico, que provoca un reemplazo de la portlandita porosa por las diferentes fases hidratadas (C-S-H, C-A-H, C-A-S-H). La adición de materiales más finos que el cemento conlleva a su densificación y sirve como sitios de nucleación para el crecimiento de las fases hidratadas. Como resultado de mayor contenido de fases hidratadas y menos grupos CH por la reacción puzolánica, lo hace más resistente a la penetración de agentes nocivos. (Sakai, (2005) ) La sustitución del clínquer por arcilla calcinada y carbonato de calcio, constituye una alternativa favorable para la economía, ya que el producto es de fácil obtención, pues se encuentra difundido en proporciones notables en gran parte del territorio. Además, contribuye a la reducción de emisiones dañinas al medio ambiente en el proceso de fabricación del cemento.. 1.2.1 Las arcillas calcinadas y el carbonato de calcio. Las arcillas calcinadas y el carbonato de calcio, son alternativas interesantes para países industrializados y en vías de desarrollo. La mayoría de las arcillas y el carbonato de calcio están distribuidos de forma uniforme en la geografía del planeta, de forma que pueden ser considerados materiales de abundante disponibilidad. Dentro de los materiales empleados como filler se encuentra la piedra caliza, la cual se usa ampliamente como material extensor del clínquer. La caliza, al ser molida conjuntamente con el clínquer que es más resistente, puede alcanzar valores muy altos de finura, lo cual acelera la hidratación de las fases. de. alita y alúmina, además de que suple las discontinuidades en la granulometría del clínquer al actuar como material de relleno entre sus granos. Químicamente, al reaccionar con la alúmina, forma los mono-carbo-aluminatos, lo cual los hace competir con el yeso añadido para completar la formulación final del cemento mezclado.(Menéndez, (2003)) La activación de las arcillas como material puzolánico se produce a partir de la remoción de los OH- estructurales, la ruptura de los enlaces químicos y la desestabilización resultante de la estructura cristalina. La pérdida de los OH- desestabiliza eléctricamente la estructura. Es por eso que en las arcillas calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en la reactividad puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en desestabilizarse durante el proceso de desoxhidrilación. La desestabilización de cargas. 8.

(18) Capítulo I eléctricas y la ruptura de los enlaces químicos por el calentamiento provocan el colapso parcial de la estructura.(Alujas, 2010) El proceso de activación puede hacerse a través de medios mecánicos, químicos o térmicos, dentro de los cuales la activación térmica es la forma más efectiva y empleada para modificar la estructura cristalina de las arcillas y alcanzar el máximo potencial de reactividad puzolánica(Shi and Day, (2001)). En estos sistemas reaccionan las fases con altos contenidos de alúmina de la arcilla calcinada con la portlandita que se libera durante la hidratación del clínquer, los carbonatos contenidos en la roca caliza y los sulfatos contenidos en el yeso adicionado a la mezcla, para formar fases del tipo Afm (hemicarbo y monocarboaluminatos).(Rossen, 2010) 𝐶3𝐴+𝐶𝑎𝑆𝑂4+𝐶𝑎𝐶𝑂3→𝐶6𝐴S3𝐻32+𝐶4𝐴𝐶𝐻11 El carbonato de calcio presente en la piedra caliza triturada tiene un doble papel durante los procesos de hidratación, una parte reacciona sinérgicamente con las fases alumínicas de las arcillas calcinadas, dando lugar a la obtención de fases que estabilizan la fase etringita, propiciando con ello un incremento del volumen total de productos de reacción, el decrecimiento de la porosidad y por tanto el aumento de la resistencia. La otra parte de la caliza actúa como filler inerte, proporciona superficie específica adicional para la precipitación de los productos de reacción, favoreciendo con ello las resistencias iniciales (Muller, 2005) De forma general, la activación de las arcillas se produce con el objetivo de romper los enlaces químicos existentes en la estructura de la misma, logrando la desestabilización de las partículas que, unidas a la caliza que acelera la hidratación de las fases de alita y alúmina y suplen las discontinuidades en la granulometría del clínquer, logran que la mezcla funcione como material puzolánico.. 1.2.2 Puzolanas En la normas (ASTM, 1992 la definición 618-78) plantea: "las puzolanas son materiales silíceos, alumino-síliceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se encuentran finamente divididos y están en presencia de agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes". Las puzolanas, según su origen, se clasifican en dos grandes grupos: las naturales tales como tobas, piedra pómez etc, y las artificiales, como rocas, materiales no reactivos, cenizas volantes. Pero también puede existir un grupo intermedio constituido por puzolanas naturales que se someten a tratamientos térmicos de activación, análogos a los que. 9.

(19) Capítulo I se. aplican. para. obtener. puzolanas. artificiales,. con. objeto. de incrementar sus. propiedades hidráulicas. Las puzolanas contienen constituyentes que combinados químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente y en presencia de agua, dan lugar a compuestos permanentemente insolubles y estables que se comportan como conglomerantes hidráulicos. (Salazar, 2002, Morales, 2010, Megat, 2011) En los cementos mezclados ocurre la transformación de la portlandita en hidrosilicato de calcio mediante la reacción puzolánica, la cual se forma mediante la hidratación del cemento. Portland,. provocando la reducción del desprendimiento de calor durante. la. hidratación y refinamiento de la porosidad en la pasta de cemento. Esto permitió la obtención de materiales con aplicaciones específicas como son los hormigones de altas resistencias, los de bajo calor de hidratación, los resistentes a las expansiones causadas por la reacción álcalis – sílice, el. ataque. de. sulfatos y la. elaboración de sellantes de grietas. por. inyección(Feldman, (1984) ) El uso de puzolanas como adición al cemento trae grandes ventajas a los hormigones, evita la exudación, la reducción de la relación agua cemento, la reducción de la segregación, la retracción tanto hidráulica como térmica y la expansión por cal libre, la cual trae consigo la reducción de la porosidad, la estabilidad del hormigón frente a la fisuración, sulfatos y por la reacción álcalis- agregado, y en cuanto a la durabilidad hace que los hormigones tengan un mejor comportamiento frente a ataques de las agua puras, ácidas, de mar, y a suelos sulfatados, entre otras.(Salazar, 2002) Los materiales puzolánicos pueden ser utilizados como materia prima en la fabricación del clínquer, aportando SiO2, A12O3 y Fe2O3 al crudo, por lo que pueden reemplazar parcialmente a la arcilla y ser adicionados en el molino con el clínquer y el yeso, en calidad de material puzolánico.(Mena, (2013)) De forma general los materiales puzolánicos a pesar de no poseer propiedades cementicias, son capaces de reaccionar con el hidróxido de calcio, proporcionando al cemento propiedades recomendables para su puesta en obra, de forma tal que su presencia influye en la durabilidad del cemento.. 1.3. Cementos ternarios con arcillas calcinadas.. Los sistemas ternarios a base de cemento, cal y puzolanas se basa en la suposición que a mayor sustitución de cemento Pórtland, disminuye la cantidad de iones Ca2+ que se encuentran en la solución de agua de los poros, producida por la hidratación del cemento Portland, reduciendo la posibilidad que tenga lugar la reacción puzolánica. (Martirena, 2011).. 10.

(20) Capítulo I Actualmente se están desarrollando estudios sobre sistemas ternarios a base de cemento Pórtland–arcillas calcinadas (metacaolín)-caliza. El metacaolín es una puzolana muy reactiva que se obtiene a partir de activar el mineral caolinita (Si 4Al4O10(OH)8). Ha sido demostrado en estudios recientes que el metacaolín puede sustituir cemento en una proporción de hasta un 30%.La piedra caliza molida es una fuente barata y ampliamente disponible de mineral calcita (CaCO3). Cuando las adiciones son en el orden del 5% de clínquer, el cemento resultante exhibe propiedades iguales o ligeramente superiores debido al aumento de compacidad. Cuando. la. adición está entre10% y 15%, los efectos. resultantes son negativos(Martirena, (2011)). Para bajos niveles de adición de caliza fina, este material reacciona para formar fases de hemicarbo-aluminato o mono-carbo-aluminato, consumiendo fases AFm, que liberan iones de sulfato que contribuyen a formar más ettringita en el sistema. El aluminato tricálcico C3A reacciona con sulfato de calcio para formar ettringita y con el carbonato de calcio para formar fases AFm (mono-carbo-aluminatos), estabilizándose la fase AFt ettringita. La baja solubilidad del carbonato de calcio puede demorar la liberación de iones de carbonato en solución, provocando la formación de hemi-carbo-aluminato (Lothenbach, 2008). En sistema de CPO con arcillas calcinadas incorporadas para la sustitución de clínquer, el Al sustituye parcialmente al Si en los tetraedros que forman las cadenas de los CSH, y el Al también se encuentra sustituyendo al Ca en los regiones intercapa de los CSH, es por ello que sin dudas este es un de los minerales más importantes en la reacción puzolánica(Love et al., 2007). También es importante destacar que la sustitución de CPO por adiciones minerales de carácter puzolánico, tiende a favorecer la formación de fases de monosulfatos cálcicos (ettringita) sobre las fases de hidrosulfatos cálcicos, favoreciendo la resistencia mecánica en los primeros momentos de la reacción.(Chakchouk et al., 2009) El metacaolín (Al2Si2O7), resultado de la activación térmica de arcillas caoliníticas, se ha estado investigando como material puzolánico en las últimas décadas. Considerado como un material cementante suplementario, se produce al calcinar arcillas a temperaturas alrededor de 500°C-850°C en dependencia de las fases mineralógicas presentes, produciéndose una transformación en su estructura cristalina al romper los enlaces de OH- estructurales.(He et al., 1995, Zhang and Malhotra, 1995). 1.4. El Sistema clínquer-arcillas calcinadas -carbonato de calcio. 1.4.1 La hidratación del cemento Portland Cuando se combinan el cemento con el agua utilizada para el amasado, ocurren dos fenómenos fundamentales como el fraguado y el endurecimiento asociados a los procesos. 11.

(21) Capítulo I de hidratación, los cuales presentan alta complejidad, debido a las variadas y complejas reacciones químicas y físicas que tienen lugar. La variada composición de fases del cemento, así como el distinto comportamiento de las mismas, complican aún más los procesos de fraguado. Unos minerales tienen una velocidad de reacción con el agua muy elevada, mientras que otros lo hacen más lentamente, el C3A fragua rápidamente, lo cual lo convierte en el responsable de la necesidad del retardador en la mezcla, donde generalmente es utilizado el yeso( de 3 al 5% de la masa del cemento). La cal libre y el aluminato tricálsico también forman parte de los compuestos que reaccionan rápidamente formando el hidróxido de calcio.(Taylor, 1990) El aluminato tricálsico (C3A), en presencia del hidróxido de calcio, reacciona de la siguiente forma: 3CaO.Al2O3+12H2O+Ca (OH)2 (C3 A). (Agua) (Cal). 4CaO.Al2O3.13H2O (hidroaluminato de calcio). La forma estable del hidroaluminato (con seis moléculas de agua) cristaliza en el sistema cúbico y se forma como resultado de una reacción rápida del aluminato tricálcico con el agua: 3CaO.Al2O3+6H2O. 3CaO.Al2O3.6H2O. El yeso desempeña el papel de surfactante en el cemento y reacciona con el aluminato tricálcico, fijándolo en hidrosulfoaluminato cálcico (ettringita) al principio de la hidratación del cemento. 3CaO.Al2O3.Al2O3+26H2O+3(CaSO4.H2O) (C3 A). (Agua). (Yeso). 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (Ettringita). La ettringita se segrega en estado coloidal finamente disperso, precipitándose sobre los granos de aluminato tricálsico, retardando así la llegada del agua y el fraguado del cemento. La cristalización del hidróxido de calcio a partir de la solución sobresaturada hace que disminuya la concentración de dicho compuesto, y la ettringita se forma entonces como cristales largos aciculares. Precisamente los cristales de ettringita son los que condicionan la resistencia en los primeros momentos de amasarse el cemento con el agua. Dicho mineral al formarse provoca un aumento de volumen con respecto al de las sustancias reaccionantes (aluminato tricálcico y yeso), pero debido que ello ocurre en una masa en estado fresco no provoca fisuración, sino cierta compactación y rellenado de los poros de la pasta de cemento que favorece la compacidad y resistencia del conjunto. La ettringita reacciona posteriormente con el resto del aluminato tricálcico, que queda después de consumir la proporción de yeso. 12.

(22) Capítulo I agregado, formándose entonces los monosulfatoaluminatos de calcio (fase AFm). (Alujas, (2010)) 2(3CaO.Al2O3)+3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+22H2O. 3(CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O). La ganancia progresiva de resistencia de la pasta de cemento (endurecimiento) que ocurre posteriormente, se debe fundamentalmente a la formación de hidrosilicatos de calcio como consecuencia de la hidratación de la alita y la belita, según se expone en las siguientes reacciones: 2(3CaO.SiO2)+6H2O (Alita). (Agua). 3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca (OH)2 (Tobermorita). 2(2CaO.SiO2)+4H2O (Belita). (Portlandita). 3CaO.2SiO2.3H2O+Ca (OH)2. (Agua). (Tobermorita). (Portlandita). En las dos situaciones se aprecia la formación de dos compuestos básicos, la tobermorita y la portlandita. El primero de ellos constituye la fase más importante de los productos de hidratación del cemento Pórtland, y es precisamente el mineral que aporta las buenas propiedades mecánicas y físicas que posee el cemento. El hidrosilicato de calcio (CSH por sus siglas en inglés) 3CaO.2SiO2.3H2O se forma en una solución saturada de hidróxido de calcio. (Taylor, 1990). 1.4.2 La reacción puzolánica La reactividad puzolánica de materiales provenientes de la activación térmica de las arcillas, dependen casi en su totalidad del tamaño de la partícula, el área de superficie específica y la mineralogía de las fases arcillosas. Si el material posee mayor superficie específica o finura provoca que aumente la velocidad de reacción cal-puzolana, favoreciéndose este efecto con el incremento de la temperatura, sobre todo a edades tempranas (Castillo, (2010)). (Alujas, (2010)) plantea que los nuevos productos de hidratación, formados a partir de la reacción de las puzolanas con la CH generada durante la hidratación del CPO, son los responsables de la mejora en las propiedades mecánicas y de durabilidad del hormigón. Para el caso particular de las arcillas calcinadas, tres reacciones químicas pueden ser planteadas para describir la interacción entre el Ca (OH)2 y la sílice y la alúmina que se encuentran en un estado de alto desorden estructural. AS2 +. 5CH. +. 3H. C4AH13. +. 2CSH. (Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tetracalcioaluminato) (Silicato de calcio hidratado) AS2 +. 6CH. +. 9H. C3AH6. +. 2CSH. (Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tricalcioaluminato) (Silicato de calcio hidratado). 13.

(23) Capítulo I AS2 +. 3CH. +. 6H. C3ASH6. +. CSH. (Metacaolín)(Portlandita)(Agua) (Stratlingita o gehhelenita)(Silicato de calcio hidratado) Un estudio realizado por Ambroise en 1994 ofrece un grupo de estas ventajas de la actividad puzolánica del metacaolín, planteando que esta proporciona un efecto acelerador en la hidratación de la fase alita del clínquer, para valores menores a un 30% de sustitución del CPO, disminuye el contenido de cal libre en la mezcla, provoca una adicionales. (C-S-H). y. formación. de. otros como strätlingita o gehlenita y C3AH6 conocido como. hidrogranate) productos de hidratación, acelera el tiempo de fraguado (inicial y final) de la. mezcla, para. niveles inferiores al 30% de sustitución del CPO, provoca. un. desplazamiento de los diámetros de poros hacia valores más pequeños (refinamiento de la estructura de poros) y trae consigo el aumento de la resistencia a la compresión en morteros a 28 días respecto a aquellos de Portland puro. Para valores de 30% de sustitución, se alcanza la resistencia a la compresión de las mezclas de Portland puro a mayores edades (48 días). Uno de los efectos físicos que ocurren producto de la adición de una puzolana al cemento Portland Ordinario, es el aumento de la compacidad por efecto filler y la nucleación heterogénea por el aporte de las puzolanas de una superficie adicional, que favorece la nucleación y crecimiento a edades tempranas de los productos de hidratación del CPO. Estos efectos no dependen de la reactividad química de la adición mineral, sino de la cantidad de superficie disponible y del por ciento de sustitución. Otro efecto es el. de. dilución, debido al cual se produce un mayor espacio para la formación y crecimiento de las fases hidratadas, lo que favorece la reacción de hidratación (Frias et al., (2000) , Dopico et al., (2008) ). El efecto químico fundamental está dado por la reactividad puzolánica de la adición mineral. Las puzolanas pueden reaccionar con parte de la CH presente en la pasta hidratada, densificando la microestructura de la pasta y refinando la estructura de poros, con la disminución de la permeabilidad y el aumento de la resistencia mecánica. Al mismo tiempo, como la CH presente en la pasta es susceptible a formar fases con potencial expansivo al reaccionar con agentes externos como los sulfatos, su reducción favorece la resistencia al ataque químico.(Frias et al., (2000) ). 1.5. Especificaciones para cementos de albañilería. El cemento de albañilería se emplea para morteros en construcciones de albañilería o enlucido,. o. en ambos, el cual contiene materiales plastificantes y posiblemente, otras. adiciones para elevar esta función.(NC526-07, 2007). 14.

(24) Capítulo I En la norma europea ENV 413-1:94 el cemento de albañilería se define como un conglomerante hidráulico pulverulento, que se basa esencialmente en la presencia de clínquer portland para desarrollar resistencia mecánica. Cuando se mezcla con arena y agua únicamente, sin la adición de otros materiales, produce un mortero trabajable apropiado para su uso en enlucidos interiores y exteriores y trabajos de albañilería. El grupo de propiedades que caracterizan al cemento en su uso final como aglomerante hidráulico definen su calidad. en. hormigones. y. morteros. Dichas. propiedades. importantes para la fabricación, la ejecución y la vida útil de los productos. son. para los. cuales el cemento es utilizado. El fraguado es el desarrollo de rigidez de una pasta o mortero de cemento, que cambia su carácter de una masa plástica a un material rígido. El tiempo transcurrido antes del fraguado depende de varios factores, incluyendo la temperatura, la relación Agua/Cemento y las características del cemento. Durante el fraguado hay que distinguir dos fases conocidas como "principio de fraguado" y "fin de fraguado" y que son importantes para conocer el tiempo durante el cual la pasta permanece plástica y, por tanto, es trabajable. El principio de fraguado se caracteriza por iniciarse la rigidez de la pasta y, el final del mismo viene marcado por la pérdida de plasticidad de aquella. (Ruiz Hidalgo, 2009) La aplicación fundamental del cemento es la fabricación de morteros y hormigones, destinados a la construcción de elementos en los que generalmente, la propiedad más interesante es su resistencia mecánica. Por consiguiente los cementos, junto con los áridos, tienen que conferírsela y esto lo logran porque al amasarlos con agua dan lugar a pastas que endurecen y tiene una gran cohesión, cuya porosidad va disminuyendo a la vez que la resistencia mecánica va creciendo con el paso del tiempo, presentando además, una gran adherencia con los áridos que componen el mortero y el hormigón. Todas las fases del cemento que hidratan, pueden potencialmente, contribuir al desarrollo de resistencias. (Perez Nagore and Elorza Uria, n.d.) El calor de hidratación es un factor de importancia en la práctica. Tiene un efecto auto acelerador en la hidratación de cemento, sin embargo, también puede ser un factor problemático ya que el calentamiento de la parte interior de la estructura de hormigón, puede generar gradientes térmicos que pueden inducir tensiones mecánicas, que finalmente resultan en la formación de hendiduras, fisuras y grietas.(Aranda et al., n.d, VanderWerf, 2012) La durabilidad depende de un número de factores asociados con la composición del cemento, las características de la construcción y aspectos ambientales. Pero también las. 15.

(25) Capítulo I características del cemento propio juegan un papel importante. De forma general influyen significativamente dos aspectos de la durabilidad como resistencias a medios químicamente agresivos, especialmente agua que contiene sulfatos y reacciones entre álcalis y agregados que tienen un efecto de empeoramiento.(Aranda et al., n.d) La finura es una característica íntimamente ligada al valor hidráulico del cemento, ya que influye decisivamente en la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar durante su fraguado y endurecimiento. Si el cemento posee una finura excesiva, su retracción y calor de fraguado son muy altos (lo que en general resulta perjudicial), el conglomerante resulta ser más susceptible a la meteorización (envejecimiento) tras un almacenamiento prolongado, y disminuye su resistencia a la aguas agresivas. Pero siendo así, que la resistencia mecánica aumenta con la finura, se llega a una situación de compromiso: el cemento Portland debe estar finamente molido, pero no en exceso. En las fases por las que el cemento. pasa hasta su transformación para convertirse en pseudo-sólidos, pueden. aparecer aumentos de volumen o "entumecimientos", así como reducciones conocidas como "retracciones". A partir del primer día puede tener lugar la retracción más importante de la pasta denominada "retracción de secado" y que es debida a una pérdida de agua en la pasta endurecida. De aquí la importancia de mantener un grado de humedad elevado durante los primeros días de la vida de estos materiales. Si la pasta se encuentra saturada de agua se producirá un entumecimiento. (Gonzáles de la Cotera and n.d, Scrivener and Nonat, 2011) Para cumplir con las propiedades antes mencionadas se hace necesaria la existencia de normativas que regulen las condiciones en que se deben encontrar los cementos, en función del uso y características para lo cual se diseñan. De ahí que a nivel nacional e internacional para los cementos de albañilería existen especificaciones como las que se presentan en las Tablas 1.1, 1.2 y 1.3: Tabla 1.1 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la NC 97:2011. índice Físicos. Requisito Retenido tamiz 4 900 mallas (máx.) Tiempo de fraguado inicial (mín.). UM % mín. Tiempo de fraguado final (máx.). h. Estabilidad de volumen por Le Chatelier mín (máx.) Mecánico Resistencia a compresión (mín.) 7 días kgf/cm (MPa) 28 días Químico Trióxido de Azufre (máx.) %. Grado Método de CA-160 ensayo 15 NC 54-207 60 12 10 100 160 3,5. NC 54-206. Fuente: Norma Cubana 97:2011. 16.

(26) Capítulo I Tabla 1.2 Especificaciones de calidad de cementos de albañilería según normas internacionales. Requisitos físicos. Tipo de cemento de albañilería Norma de ensayo. Finura, resido tamiz de 45µm Expansión en autoclave Tiempo de fraguado Inicial Final Resistencia a la compresión 7 días 28 días Contenido de aire del mortero Vol. Min Vol. Max Retención de agua. N 24 1. S 24 1. M 24 1. 120 1000. 90 1000. 90 1000. ASTM C 430 NCh 3121/3 ASTM C 266. NCh 3121/3 3,4 6,2. 9 14,5. 12,4 20 NCh 3121/3. 8 21 70. 8 19 70. 8 19 70. NCh 2259. Fuente: Norma Chilena (3121/1-2010 y Guatemalteca (NTG 41096). Tabla 1.3 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la EN 196. índice Físicos. Requisito. UM. Retenido tamiz 4 900 mallas (máx.) Tiempo de fraguado inicial (mín.). % mín. Tiempo de fraguado final (máx.) Estabilidad de volumen por Le Chatelier (máx.). Grado Método de CA-160 ensayo 15 NC 54-207 60. h. 15. mín. 10. Fuente: Norma Europea EN 196. Tabla 1.3 Especificaciones de resistencia para cemento de albañilería según la EN 196 Tipo y clase. Resistencia 7 días. MC 5. ….. ≥5. ≤15. MC 12,5 X. ≥7. ≥7. ≤32,5. MC22,5X. ≥10. ≥10. ≤42,5. Resistencia 28 días. MC 12,5. Fuente: Norma Europea EN 196. 17.

(27) Capítulo I Tabla 1.3 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la ASTM C 91. índice Físicos. Requisito Retenido tamiz 4 900 mallas (máx.) Tiempo de fraguado inicial (mín.) Tiempo de fraguado final (máx.) Resistencia 7 días 28 días Expansión en autoclave. % mín. Cemento de albañilería 24 120. h. 17. MPa. 3.4 6.2 1. UM. %. Fuente: Norma americana ASTM C 91. 1.6. Cemento de bajo carbono (CBC).. En estudios recientes sobre los cementos con sustituciones de clínquer por arcilla calcinada, se ha demostrado que el metacaolín es un material puzolánico que posee excelente potencial para mejorar la resistencia y la durabilidad, al ser mezclado con el CPO. Ha sido demostrado que con una sustitución del 30% del contenido de clínquer por metacaolín y el uso de aditivo se logra una baja porosidad y un aumento considerable de resistencia mecánica. Valores superiores al 10% de sustitución de metacaolín, no muestran aumentos significativos de resistencia en el hormigón. Al realizar reemplazos de cemento por metacaolín, con porcentajes entre el 30% y 40%, se logra remover completamente el hidróxido. de calcio, sin embargo, la resistencia a la compresión en estas mezclas con. reemplazos por encima del 20% se disminuyen drásticamente.(Mena Mederos, 2012) La adición de metacaolín reduce la degradación por sulfatos en los morteros, teniendo presente que el óptimo reemplazo está entre el 10 y 15% en peso. (Courard et al., 2003, Sabir et al., 2001) La presencia de metacaolín influye de forma significativa en la estructura de poros en morteros, produciendo un importante refinamiento de los mismos, de aquí las transformaciones que ocurren en las propiedades de transporte de agua y en los niveles de difusión de iones agresivos hacia el interior del material. El efecto de empaquetamiento ocurre en los primeros momentos de la hidratación, producto del acomodamiento de las partículas finas que no reaccionan en los espacios libres entre los granos de cemento Portland, a medida que aumenta la reacción de hidratación, aparecen las condiciones para que ocurra la reacción puzolánica. Los productos de la reacción puzolánica ocupan los espacios creados por los poros capilares, cuyo diámetro se reduce considerablemente. La proporción de poros de gel aumenta, mientras que los capilares disminuyen. Se considera que esta es la causa de la disminución de la permeabilidad en los hormigones y morteros. 18.

(28) Capítulo I fabricados con materiales cementicios suplementarios, que se reporta en algunos casos de hasta en tres órdenes de magnitud en relación a pastas idénticas fabricadas con cemento Portland con la misma relación agua/aglomerante (Dopico, 2008). El cemento de bajo carbono (CBC) es una nueva tecnología surgida en el Centro. de. Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción, que tiene la tarea de hacer frente a la creciente demanda de los recursos y al mismo tiempo, reducir el impacto ambiental, utilizando la infraestructura existente disponible, es utilizado como componente de los morteros. Este nuevo aglomerante es un cemento ternario, con un considerable potencial de ahorro de CO2 (hasta 50%), al mismo tiempo que muestra propiedades similares al cemento Portland. Esto se logra mediante la sustitución de parte del clínquer por una combinación sinérgica de arcilla calcinada y piedra caliza, esta calcinación ocurre a temperaturas más bajas que la requerida para la obtención del clínquer lo que conlleva a ahorros de combustible. La novedad y el potencial de CBC residen en el efecto sinérgico de arcillas calcinadas y piedra caliza en términos de resistencia a las proporciones de mezcla específicas(Alujas, (2010), Castillo, (2010), Martirena, (2003), Mena, (2013), Pérez Cabrera, (2013), Scrivener, (2008), Fernández, (2013)). El cemento de bajo carbono está compuesto para el caso del SIG B-60 por un 33.17% de clínquer con una sustitución de 60% del mismo por arcilla calcinada y caliza en proporción 2:1 y para el caso del SIG B-75 se dispondrá de un 18,17% de clínquer y 75% de sustitución de la misma mezcla. Los otros constituyentes son el carbonato de calcio dado por la piedra caliza sin calcinar, en proporciones de 20% y 25% respectivamente y un 6,83% de yeso en ambos casos, y el 40 % y 50% de arcillas caoliníticas de baja pureza, como vía para producir puzolanas de alta reactividad que al ser calcinadas a altas temperaturas obtiene el nombre de metacaolín.(Alujas, (2010), Castillo, (2010), Fernández, (2013), Mena, (2013), Restrepo, (2006))han demostrado que con una sustitución del contenido del clínquer por un 30% de metacaolín y el uso de aditivo se logra una baja porosidad y un aumento considerable de la resistencia mecánica.. 1.7. Morteros de albañilería. Generalidades. 1.7.1 Definición de mortero La mezcla de materiales inertes y aglomerantes amasados con agua en cantidad suficiente para que la masa sea laborable es la definición que dan varios autores de mortero. Cuando los materiales aglomerantes se mezclan con agua solamente, la masa recibe el nombre de pasta. (Crespo, 1990, Alvarez Cabrera, 2011;, Alconz Ingala, 2006). 19.

(29) Capítulo I Se puede definir como una mezcla constituida por el conglomerante, áridos finos o aglomerados, agua de empaste y eventualmente aditivos químicos y adiciones que le otorgan características especiales como su plasticidad inicial, que permite trabajarla y moldearla según la necesidad, que lo hace útil como material de construcción.(Barrera, (2002), N.A, (2007), Hernbostel, (2002), Lana, (2005)) Los morteros se emplean como material de unión, de piedras naturales y artificiales, ladrillos, bloques entre sí y con otros elementos, para colocar losas de pisos y azulejos, para recubrimiento de muros, para la fabricación de piedras artificiales. Los morteros más empleados son los de cal, de cementos y la mezcla de ambos (llamados bastardos), con arena natural. (Crespo, 1990). 1.7.2 Morteros de cemento El uso común del cemento Portland como el ingrediente cementante por excelencia en los morteros, comenzó a mediados del siglo XX y se ha mantenido hasta nuestros días. Sin embargo, en la actualidad es común que el agente cementante utilizado para elaborar los morteros sea una mezcla de cemento Portland con cal, o en ocasiones con cemento de mampostería. (Alconz Ingala, 2006). Los aglomerantes tienen un carácter cementante, entre los. más conocidos encontramos el cemento, cal y yeso. (Alconz Ingala, 2006, Arriola,. (2009), Hernbostel, (2002)). (Alconz Ingala, 2006) plantea que el cemento contribuye a la resistencia y durabilidad. Para el uso en los morteros se encuentra el Portland ordinario, el puzolánico, el de escoria, resistente a sulfatos,. el de baja reactividad álcali, el de bajo calor de hidratación, el. blanco, o el llamado de mampostería, entre otros. Cabe señalar que el cemento Portland por sí solo, contribuye a lograr la resistencia del mortero a edades tempranas, lo cual es un factor importante, ya que permite ir avanzando en la construcción, sin embargo, el mortero que se logra es poco manejable ya que casi no retiene agua, por lo que es común que se le adicione cal y algún aditivo.. 1.7.3 Morteros de albañilería El empleo de los morteros se conoce hace muchos siglos antes de nuestra era, los primeros en utilizarlos fueron los griegos, romanos, hebreos, etc., unas veces para unir elementos (principalmente piedras) y otras como recubrimiento de paredes e incluso hoy, a pesar del tiempo transcurrido perduran algunas de esas obras. La función del material inerte (arena) es económica, reduciendo el costo del mortero sin detrimento sensible del poder adherente y resistente, también mecánica, evitando o reduciendo las grietas que surgen por contracción en el fraguado de cales y cementos y por. 20.

(30) Capítulo I los cambios de contenidos de agua (retracción); haciendo más laborable en determinados casos el mortero. Los morteros tienen dos usos fundamentales, en las edificaciones, o sea, pueden emplearse como materiales de asentamiento o unión de elementos y como material de recubrimiento o acabado de una superficie.(Alvarez Cabrera, 2011) (Rodríguez, 2008, Álvarez, (2011)), plantean que el propósito principal del mortero en la mampostería es la adherencia de unidades dentro de un ensamble, el cual actúa como elemento integral, que tiene características de comportamiento deseadas. El mortero influye en las propiedades estructurales de la mampostería, a la vez que reduce su permeabilidad. Los morteros de albañilería tienen diferencias importantes según su estado: morteros plásticos y endurecidos.. 1.7.4 Clasificación de los morteros Los morteros y pastas se clasifican de acuerdo con el carácter del adherente: en aéreos o hidráulicos, según sea esta cal o cemento respectivamente. Por la clase del material inerte: en morteros de arena natural, artificial, puzolánica, etc.. Se clasifican en pastosos con. suficiente cantidad de agua y fluidos con exceso de agua. Estos estados en los morteros pueden obtenerse también variando la dosificación y la composición granulométrica del material.(Mola, n.d.) El mortero como material resultante de la mezcla íntima de un árido, aglomerante y agua, según la naturaleza del aglomerante se puede clasificar en: morteros con base de cal, con puzolanas, morteros con base de yeso, basados en aglomerantes hidráulicos, con aglomerantes arcillosos, basados en aglomerantes orgánicos y basados en mezclas de aglomerante. Por la masa volumétrica se clasifican en: frescos y endurecidos que a su vez pueden ser pesados o ligeros y por el sistema de fabricación puede ser hecho en obra, industrial semiterminado o industrial manual.(Aguado, 2012, Alconz Ingala, 2006, Pérez Yepez, (2008)) Los morteros basados en aglomerantes hidráulicos son productos artificiales de naturaleza inorgánica y mineral, capaces de formar una pasta que fragua y da compuestos estables que endurecen con el tiempo al ponerse en contacto con agua. Sin embargo los morteros basados en aglomerantes orgánicos poseen elevado peso molecular, producto de reacciones de polimerización por adición o condensación de diferentes compuestos de base. Las matrices orgánicas se pueden clasificar en termoestables y termoplásticas siendo las más empleadas las acrílicas, poliéster y epoxi, que le atribuyen ventajas a los morteros como: elevada reversibilidad, elasticidad, y resistencia a determinadas sustancias químicas.(Arriola, (2009), Miravete, (2000)). 21.

(31) Capítulo I Las mezclas de materiales bituminosos o arcillosos con arena son también morteros, los primeros muy usados en la construcción de pavimentos, los segundos en la consolidación de subsuelos. (Alvarez Cabrera, 2011;) (Álvarez, (2011)) clasificó los morteros de acuerdo con el tipo de aplicación, en relación a la calidad de los cementos, en morteros de albañilería y morteros especiales, los de albañilería son empleados para la evaluación de las resistencias mecánicas de los cementos, estos son los más empleados, tanto en la colocación de elementos (ladrillos, bloques, rasillas, celosías, etc.) como en el revestimiento de edificaciones. Los especiales engloban varios tipos como morteros de cola, dentro del cual se encuentra el cemento blanco o gris, estos están conformados por áridos finos de naturaleza calcárea o silícea, libres de arcillas y materias orgánicas, así como el mortero monocapa aplicado en varias capas sucesivas como el salpicado, resano y el fino. Los morteros también se clasifican en: autonivelantes que son idóneos para la colocación de pavimentos, para la nivelación de prepisos y en reparaciones especiales del hormigón. Los conocidos morteros de relleno se emplean en estado semiseco en lugares donde se coloca por retacado y en rellenar las vainas de los cables de elementos postensados, relleno de bases para pernos en equipos. Por sus propiedades, no presentan retracción y algunos generan alguna expansión durante el proceso de fraguado y endurecimiento. Los morteros aligerados son empleados como aislantes térmico y acústico, niveladores de pendientes, rellenos en cubiertas antes de colocar la soladura y en relleno de zanjas, otro de los integrantes de esta familia son los morteros poliméricos donde el conglomerante principal son polímeros y no el cemento, son empleados como revestimiento de cualquier soporte o paramento, fachadas, zócalos, cajas de escaleras, pasillos, entre otros(Álvarez, (2011), Lana, (2005), Mas, (2006)). 1.7.5 Propiedades de los morteros El mortero debe cumplir propiedades específicas en dependencia del uso que se le asigne. Para lograrlas, el cemento como materia prima fundamental juega un papel esencial, de ahí la necesidad de tener presente las funciones del mortero, para la creación de cementos de albañilería capaces de afianzar dichas propiedades. El mortero es un material similar a una piedra artificial y por consiguiente sus propiedades deben ser las de esta; pero durante el período de elaboración en obras, es una masa plástica necesariamente adaptable al lugar donde se coloca; el mortero debe estar dotado de propiedades tales que produzcan la máxima eficiencia a través de los diferentes estados por los que atraviesa, es decir: resistente y durable, laborable, plástico y consistente al inicio. Dentro de las prestaciones que ofrece un mortero se distinguen dos etapas diferenciadas por. 22.

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Tabla 1.1 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la NC 97:2011
Tabla 1.3 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la EN  196
Tabla 1.3 Especificaciones de calidad para cemento de albañilería según la ASTM C 91
Tabla 2.9: Composición química del árido de Arimao  Análisis Químico
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Referencias

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