2ª CONGLOMERANTES Y CONGLOMERADOS
1 DEFINICIONES
- Conglomerado: piedra artificial por excelencia en la que, a diferencia de la cerámica, no es el calor si-no el agua lo que, en frío, provoca su endurecimiento. Son claras sus ventajas con respecto a otras piedras, naturales o artificiales: pueden controlarse con mayor precisión su composición y propiedades; puede ser fa-bricado donde y cuando convenga; y, además, puede mejorarse con el concurso de otros materiales, como el acero, el vidrio, el plástico, etc.
Los conglomerados se componen de tres ingredientes principales:
a) Árido, conjunto de restos de rocas naturales o artificiales que hay que conglomerar, y que constitu-yen el esqueleto de la piedra artificial.
b) Agua: necesaria para que el conglomerante manifieste su poder de ligazón o aglutinación, quedará integrada formando parte de la composición química del conglomerado, y físicamente en forma de humedad si-tuada en la red porosa capilar de la piedra artificial.
c) Conglomerante: es todo producto natural o artificial que, mediante el concurso del agua, actuará como ligante del material básico o árido, manteniendo un conjunto sólido, estable y coherente, y determinan-do, además, la resistencia final del conglomerado. Existen dos tipos de conglomerantes:
- Aéreos: incapaces de adquirir cohesión, me-diante fraguado y endurecimiento, en un medio húme-do, como el yeso y la cal aérea. Sólo lo consiguen en el aire.
- Hidráulicos: además de fraguar y endurecer en el aire, lo hacen también en medio húmedo, e inclu-so sumergidos en el agua. Tal es el cainclu-so de las cales hidráulicas y de los cementos.
- Pasta: es el material resultante de la adición del conglomerante más el agua, sin misión resistente específica, aunque se utiliza para la obtención de ye-sos, escayolas, revocos, enlucidos, etc.
- Mortero: conglomerado en el que el árido es una arena. Se utiliza normalmente para trabar fábricas de piedra, cerámica y bloques, así como en revesti-mientos continuos.
- Hormigón: conglomerado constituido por la adición de árido, conglomerante (normalmente cemen-to) y agua. Desde finales del siglo XIX se considera un material fundamental por sus propiedades resistentes, sencillez de fabricación, y coste no muy elevado.
2 FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO
Al mezclar el conglomerante con el agua, la masa resul-tante experimenta los siguientes efectos:
a) En una primera etapa, de pocos segundos, la mezcla permanece inalterada.
b) A continuación se inicia el aumento de la viscosidad, junto con la elevación de la temperatura de la mezcla: es el comienzo del fraguado.
c) La papilla va ganando consistencia hasta que se transforma en un bloque sólido más o menos resisten-te y rígido, desapareciendo su plasticidad al tacto: es el fin del fraguado y comienzo del endurecimiento.
Así como la duración del fraguado se mide en minutos o en horas, según los tipos de conglomerantes y de aditivos, el endurecimiento puede durar meses, e in-cluso años, pues se trata de un fenómeno que se ralenti-za con el transcurso del tiempo.
Estos procesos de transformación se explican porque el conglomerado es un sistema químico que cons-ta de unos compuestos anhidros, ávidos de agua y solu-bles en ella, que al reaccionar con el agua de amasado se transforman en un nuevo sistema, esta vez hidratado, cristalino, insoluble e indiferente frente al agua.
La reacción química que se produce es exotér-mica, aumentando considerablemente la temperatura du-rante las etapas de fraguado y primer endurecimiento.
3 LOS ÁRIDOS
Los áridos son fragmentos de rocas en estado natural, u obtenidos artificialmente, que constituyen la adición inerte de los morteros y hormigones. Su función es triple: esta-bilizar el volumen del conglomerado; comunicar resisten-cia mecánica; y aumentar la economía del producto.
El árido es un elemento que no va a intervenir en el proceso químico de transformación o fraguado del conglomerante, si bien resulta conveniente utilizar aque-llos materiales que posean mayor estabilidad: inalterabili-dad al agua, aire e hielo; que no reaccionen con el ce-mento (o la cal); y que no contengan impurezas.
A) Clasificación de los áridos - Por el tamaño:
- Grava: árido de tamaño superior a 5 mm. Recibe el nombre corriente de:
- grava gruesa: entre 80 y 160 mm. - grava media: entre 40 y 80 mm.
- gravilla: entre 20 y 40 mm. - garbancillo: entre 10 y 20 mm.
- Arena: árido de tamaño inferior a 5 mm. Recibe el nombre corriente de:
- arena gruesa: entre 2,5 y 5 mm. - arena media: entre 1,25 y 2,5 mm. - arenilla: entre 0,32 y 1,25 mm. - polvo: entre 0,08 y 0,32 mm.
- Por su procedencia:
- De mina: resultantes del machaqueo de las rocas, son ásperos, angulosos, y suelen contener materia orgánica y otras impurezas.
- De río: son redondeados, de aristas romas, limpios, y no suelen contener impurezas.
- De playa: redondeados, muy finos y cargados de sales alcalinas o magnésicas.
- De duna: muy finos y suaves debido a su continua erosión eólica.
- Por su naturaleza química:
- Silíceos: los mejores, por dureza y estabilidad química. - Silicatados: procedentes de la fragmentación de fel-despatos.
- Calizos: son más blandos, efervescentes con los áci-dos y menos durables.
- Arcillosos: de origen silíceo o de silicatos, impurifica-dos con arcillas.
- Margosos: calizos impurificados con arcillas.
- Puzolánicos: de origen volcánico, ricos en alúmina; buenos para fabricar conglomerantes.
- Áridos especiales:
- Para hormigones ligeros: vermiculita; perlita; serrín; escorias; pómez; pizarras; etc.
- Para hormigones pesados: fundición; chatarra; galena; wolframio; pirita.
- Para hormigones refractarios: ladrillos; refractarios or-dinarios y de alúmina.
- Para hormigones resistentes al rozamiento: áridos de machaqueo.
- Para hormigones resistentes a la tracción: fibras de amianto, de vidrio y de lana mineral.
A) Propiedades de los áridos
- Forma: es muy importante por su influencia en la dosificación del conglomerado. Se consideran tres formas básicas.
- Áridos redondeados o naturales, cuya forma ideal es la que se aproxima a una esfera, es decir la mínima superfi-cie específica.
- Áridos de machaqueo o artificiales, cuya forma ideal es la que se aproxima al cubo.
- Áridos laminares o aciculares, los que presentan peor comportamiento, pues el conglomerado que se obtiene resulta poco manejable, disminuyendo substancialmente la compacidad y con ella la resistencia, a la vez que se incrementa el gasto de pasta.
Se llama coeficiente de forma α de un árido grueso, el obtenido a partir de un conjunto n de granos representa-tivos de dicho árido, mediante la expresión:
(V1 + V2 + ... + Vn) α = --- π/6(d3 1 + d 3 2 + ... + d 3 n)
en la que α es el coeficiente de forma; Vi es el volumen
de cada grano; di es la mayor dimensión de cada grano,
es decir, la distancia entre los dos planos paralelos y tan-gentes a ese grano que estén más alejados entre sí de todos los que es posible trazar.
- Contenido de humedad:
Los áridos pueden encontrarse secos o húmedos, si son capaces de absorber más agua; saturados, si están en equilibrio con la humedad ambiental; o mojados, si pue-den ceder agua al conglomerante.
- Adherencia:
La adherencia entre los áridos y la pasta de conglome-rante debe ser lo más perfecta posible. Para ello se re-quieren ciertas condiciones: aspereza y gran limpieza de los granos del árido.
No debe existir arcilla, materia orgánica ni polvo proce-dente de machaqueo, pues de lo contrario se pierde re-sistencia a la tracción y se gana fragilidad del conglo-merado.
C) Granulometría y sus leyes
Granulometría es la distribución por tamaños de los granos de un árido. Se expresa indicando el porcenje de una muestra dada, retenido en cada uno de los ta-mices de una serie normalizada.
De la granulometría dependen: la compacidad, la economía y la resistencia del conglomerado.
Módulo granulométrico o de finura: de un árido, Ma = ti/100. Es característico de cada serie normalizada de tamices y cedazos (tamices de mayor luz de la malla).
Curva granulométrica de un árido: es aquella cu-yas ordenadas son los valores de pi (índice de paso o
sumatorio de los porcentajes de árido que pasan por los tamices), y las abscisas, los diámetros de los tamices de la serie utilizada.
Leyes granulométricas
- Con áridos monogranulares se obtienen los conglome-rados menos compactos y de mayor porosidad. Cuanto más fino es el árido, mayor es el volumen de huecos. - Para áridos no monogranulares se cumplen las si-guientes leyes:
a) Feret: la mayor compacidad se obtiene mez-clando granos gruesos en un porcentaje de 60, y 40% de granos finos, sin tamaños intermedios.
b) Fuller: obtuvo una curva granulométrica ide-al, con la que se obtienen los hormigones más resisten-tes: pi = 100(di/D)
½
, siendo di la luz del tamiz y D el
ta-maño máximo del árido, o luz máxima de cedazo de la serie.
c) Bolomey: obtuvo una curva granulométrica mejorada: pi = a + (100 - a)(di/D)
½
siendo a un parámetro que depende del tipo de árido (redondeado o de machaqueo) y de la consistencia pre-vista para el hormigón (seca, plástica, etc.).
4 EL CEMENTO PÓRTLAND
A) Definiciones
Cementos: conglomerantes hidráulicos que, amasados con agua, fraguan y endurecen, tanto en el ai-re como sumergidos en agua, por ser los productos de su hidratación estables en esas condiciones.
- Crudo de cemento Pórtland: mezcla suficiente-mente fina y homogénea, adecuadasuficiente-mente dosificada, a partir de calizas y arcillas. Dicha mezcla podrá contener otros materiales para facilitar la fabricación o la obtención de cementos especiales.
- Clínker de cemento Pórtland: es el producto que se obtiene al calcinar hasta fusión parcial (sinterización) un crudo de cemento Pórtland, durante el tiempo nece-sario para conseguir la combinación prácticamente total de sus componentes.
Horno de crudo
- Regulador de fraguado: producto que, añadido al clínker de cemento Pórtland en cantidad adecuada y molido con él, proporciona un cemento de fraguado nor-mal. Generalmente se utiliza el sulfato cálcico hidratado (piedra de yeso).
Molino de clínker
- Adiciones: materiales o productos que, añadi-dos al clínker de cemento Pórtland en determinadas proporciones y molidos con él, no perjudican el compor-tamiento normal del cemento resultante, y pueden apor-tar alguna cualidad adicional o mejorar las que posee. - Adiciones hidráulicamente activas: o adiciones activas, son materiales que poseen propiedades hidráulicas la-tentes, como algunas escorias siderúrgicas, o son ca-paces de fijar la cal, como las puzolanas.
- Escorias siderúrgicas: productos granulados que se obtienen por enfriamiento brusco de la ganga procedente del alto horno. La que se emplea en el ce-mento III deberá ser activa.
- Puzolana: producto natural de origen volcáni-co, sin propiedades hidráulicas, y capaz de fijar la cal a temperatura ambiente, en presencia de agua, formando compuestos con propiedades hidráulicas.
En general se denomina así a todos aquellos productos, naturales o artificiales, que presentan las mismas propiedades descritas: arcillas activadas, ceni-zas volantes, tierra de diatomeas, etc.
- Adiciones inertes: materiales que, sin perturbar el fra-guado, endurecimiento o estabilidad de volumen del cemento, introducen alguna mejora: adherencia, plasti-cidad, blandura o mayor rendimiento del conglomeran-te. Sólo se utiliza el "filler" calizo (carga o relleno de pol-vo de caliza).
B) Composición del cemento Pórtland
El cemento Pórtland se obtiene por pulverización del clínker de cemento Pórtland, sin más adición que la piedra de yeso natural, como regulador de fraguado. Materias primas
- Calizas (rocas que contienen carbonato cálcico) y arci-llas (rocas formadas por sedimentación mecánica y ba-sadas en silicatos de aluminio hidratado), en cualquiera de sus diversas variantes.
Composición química
No puede hablarse de un compuesto quími-camente puro. Se trata de una mezcla de compuestos di-versos, pulverizados. Los que están presentes en el clínker se forman por reacción, durante la sinterización (cocción hasta fusión parcial) en el horno, de los compo-nentes que constituyen las materias primas, de los que la mayoría son óxidos, ácidos o básicos.
- Óxidos principales: o componentes principales: óxido de calcio (CaO) o cal combinada; óxido de silicio (SiO2) o
síli-ce; alúmina (Al2O3); y óxido de hierro (Fe2O3).
- Óxidos secundarios: o componentes secundarios: - CaO (cal libre) y el hidróxido cálcico (Ca(OH)2),
que coexisten en la pasta de cemento.
Una parte de la primera se hidrata y pasa al segundo du-rante el amasado. Si el contenido de cal libre supera un cierto valor, queda una parte capaz de hidratarse durante el endurecimiento, lo que acarrea fenómenos expansivos a medio plazo.
- MgO: es peligroso si aparece en el clínker en estado cristalino, por su lenta hidratación, de carácter ex-pansivo.
- SO3: proviene de la adición de piedra de yeso al
clínker, para regular su fraguado, o del combustible del horno. Un exceso de SO3 puede provocar el fenómeno
del falso fraguado. Límite 4-4,5%.
- Álcalis (Na2O y K2O): provienen de las materias
primas y se volatilizan en su mayor parte.
- Otras substancias: pérdida al fuego (PF), de na-turaleza caliza (máximo del 3,5% al 12%, según el tipo de cemento). Residuo insoluble (RI), de naturaleza silícea (máximo 5%). Cloruros, medidos en ión cloro (Cl- máx. 0,1%). Sulfuros, medidos en ión azufre (S= máx. 0,1% pa-ra el cemento aluminoso).
Composición potencial
El clínker de cemento Pórtland consta de cuatro componentes u óxidos principales que no se encuentran libremente, sino combinados formando silicatos y alu-minatos, que son los constituyentes hidráulicos del ce-mento, es decir, sus componentes potenciales:
- Silicato tricálcico (alita): 3CaO.SiO2 o SC3, cuya
propor-ción en el cemento Pórtland oscila entre 45% y 60%. - Silicato bicálcico (belita): 2CaO.SiO2 o SC2, con
propor-ción del 20% al 30%.
- Aluminato tricálcico: 3CaO.Al2O3 o AC3, con una
propor-ción del 5% al 15%.
- Ferrito aluminato tetracálcico: 4CaO.Fe2O3.Al2O3 o
AFC4, en 10% al 15%.
En la hidratación de los silicatos se desprende cal libre, comunicando una gran alcalinidad al medio (pH>12), lo que garantiza la protección de las armaduras del hormigón.
Sin embargo, el Ca(OH)2, en ambientes
muy expansivos (como la sal de Candlot), que arruinan al hormigón.
La función y las características que los compo-nentes potenciales confieren al cemento, y, por consi-guiente, al hormigón con él fabricado, se resumen a continuación:
- SC3: compuesto activo del clínker; desarrolla una gran resistencia inicial, provoca un calor de hidrata-ción elevado, fraguado lento y endurecimiento rápido. Debe limitarse a l 35% en obras de grandes macizos de hormigón.
- SC2: comunica al cemento su resistencia a largo plazo, al ser lentos su fraguado y endurecimiento. El calor de hidratación que produce este componente es el más bajo de todos.
Su estabilidad química es superior a la del sili-cato tricálcico, por lo que confiere al hormigón una ma-yor resistencia a los sulfatos.
- AC3: suministra al cemento un calor de hidra-tación muy elevado, altísima velocidad de fraguado y gran retracción. Comunica resistencias a corto plazo.
Posee buena estabilidad química frente al agua marina, pero puede conducir a la corrosión sulfática si no se limita su proporción al 5%.
- AFC4: se necesita como fundente en la fabri-cación del clínker. No interviene en la ganancia de re-sistencia. Comunica a la pasta poco calor de hidrata-ción y gran velocidad de fraguado.
Su resistencia a las aguas selenitosas y agresi-vas es la más elevada. pero, por su coloración oscura, no puede emplearse en gran proporción, estando prohi-bido para el cemento blanco.
C) Propiedades del cemento Pórtland - Finura de molido:
Es decisiva para la velocidad de las reacciones quími-cas durante el fraguado y primer endurecimiento. Su exceso puede ser perjudicial, especialmente en el Pórtland, por el aumento excesivo del calor de hi-dratación y de la retracción (contracción debida al fra-guado).
- Peso específico real:
Varía poco entre los diferentes tipos de cementos: 3 - 3,15 gr/cm3.
- Fraguado:
Se caracteriza por el paso de la pasta, del estado fluido al sólido. Reaccionan primero los aluminatos y a conti-nuación los silicatos. El regulador de fraguado evita el fraguado relámpago.
El falso fraguado se produce entre el primero y el quinto minuto, debido a la hidratación parcial del pol-vo de yeso (regulador), que endurece por el excesipol-vo
calor derivado de la molturación del clínker.
El principio y el fin de fraguado son importantes y se evalúan mediante ensayo de penetración de la aguja de Vicat sobre probeta de mortero de cemento. La tem-peratura modifica los tiempos de fraguado en función de la relación agua/cemento.
Por ejemplo, para una relación a/c de 0,5, un cemento Pórtland de resistencia alta, a una temperatura ambiente de 20C, comienza a fraguar a las tres horas de su amasado y termina al cabo de seis horas. También influye la finura de molido, la meteorización y la presencia de materia orgánica y de humedad.
- Calor de hidratación:
Las reacciones químicas que suceden al amasar al ce-mento son exotérmicas, por lo que aumenta la temperatu-ra de la pasta.
El fenómeno es rápido al principio, y menor y más lento en las últimas fases del endurecimiento. El 50% del calor se desprende en los tres primeros días, y el resto, al cabo de seis meses.
- Estabilidad de volumen:
Es la más importante característica tecnológica exigible a la piedra de cemento: ninguno de sus constituyentes ha de experimentar expansión una vez colocado en obra.
Los componentes principales no son peligrosos, pero sí algunos secundarios, como el CaO libre y el MgO, que, cristalizados, se hidratan sin disolución y expanden por el incremento de volumen de las numerosas molécu-las de agua que se asocian.
Otra modificación de volumen es la retracción, motivada por las condiciones higrotérmicas de conserva-ción del cemento, cuando se expone al aire y se reseca al material, antes y después del endurecimiento.
- Resistencia mecánica:
Es la resistencia de un mortero de cemento normalizado, amasado con arena silícea de Segovia, y con relación a/c de 0,5, según ensayo específico.
Las probetas deben ser prismáticas, de 4x4x16 cm3 y se rompen a flexo tracción con carga centrada, y cada trozo resultante, a compresión. Los ensayos se hacen a 2, 7 y 28 días.
La resistencia será tanto más elevada cuanto mayor sea la clase de cemento empleado.
- Resistencia a agentes físicos:
Son peligrosos el hielo y la cristalización de las sales, que, para formarse, desarrollan una presión de cristaliza-ción no siempre admisible. Por consiguiente, habrá que dar suficiente compacidad y riqueza al hormigón, o bien emplear adiciones específicas.
- Resistencia a agentes químicos:
- Gases carbónicos o humos que contengan CO2 y SO3. -
Aguas puras, turbias, ácidas, selenitosas y marinas. - Compuestos fluidos o sólidos orgánicos, como hidratos
de carbono, aceites, grasas, azúcar, etc.
Todos ellos pueden producir disoluciones, o dar lugar a la aparición de sales o de fenómenos expansi-vos. La solución frente a las aguas puras o ácidas pue-de ser aumentar la proporción pue-de SC2 y disminuir el
SC3. Contra las aguas selenitosas o marinas,
reducien-do el AC3 o aumentando el AFC4
D) Tipos y especificaciones de los cementos: el Pliego RC
El Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos (RC-02) se extiende, con carácter obligatorio, a las recepciones de cemento en todas las obras, tanto de la Administración pública co-mo las de ámbito privado.
También se aplica, con el mismo ámbito, a la recepción de cementos para productos prefabricados.
- Tipos de cementos:
Actualmente se contemplan cinco tipos básicos de ce-mentos que pueden utilizarse en obras de edificación: - I, denominado Cemento Pórtland y designado: CEM I - II; Cemento Pórtland con adiciones; CEM II
- III; Cemento Pórtland con escorias de alto horno; CEM III
- IV; Cemento puzolánico; CEM IV - V; Cemento compuesto; CEM V Las adiciones pueden ser:
- Escoria de alto horno S
- Humo de sílice D
- Puzolana natural P
- Puzolana natural calcinada Q - Ceniza volante silícea V - Ceniza volante calcárea W - Esquisto calcinado T
- Caliza L
Los tipos de cemento II a V tienen varios subti-pos, según las adiciones que intervienen y su propor-ción en el producto. Estos subtipos pueden ser A, B o C, según el contenido creciente de las adiciones o mez-cla de adiciones.
Por ejemplo: CEM II/B-V es la designación del cemento tipo II con adición de ceniza volante silícea en mayor proporción (en este caso sería 65 a 79% de clínker de Pórtland y 21-35% de dicha adición).
- Categorías de cementos
Indican la resistencia a compresión, según el ensayo descrito anteriormente. Hay tres clases de resistencia posibles: 32,5, 42,5 y 52,5 Mpa o N/mm2.
Cada una tiene dos posibles subtipos: N y R (normal o rápido) si se quiere, en el segundo, caso ma-yor resistencia inicial, medida a los 2 días, mientras que las resistencias normales se evalúan a los 28 días.
- Aplicaciones de los cementos
- Tipos de cemento especiales
- Resistentes a sulfatos (SR): son realmente cualquiera de los tipos I a V, descritos (salvo los CEM III/B y/C que siempre son resistentes a sulfatos), con la condición de que su clínker cumpla dos condiciones:
C3A ≤ 5-8%, y C3A + C4AF ≤ 22-25%
- Resistentes al agua de mar (MR): cualquiera de los ti-pos I a V, descritos (salvo los CEM III/B y/C que siempre son resistentes al agua de mar), con la condición de que su clínker cumpla dos condiciones:
C3A ≤ 5-10%, y C3A + C4AF ≤ 22-25%
- De bajo calor de hidratación (BC): cualquiera de los ti-pos I a V descritos, que a la edad de 5 días desarrollan una energía térmica inferior a 65 cal/g.
- Blanco (BL): cualquiera de los tipos I a V, que cumplan el correspondiente ensayo. Suelen carecer del FAC3.
