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Evolución de las normaspara la fabricación de cemento y características de
sus aplicaciones.
Holcim Ecuador S.A.
Portafolio de cementos por desempeño Holcim
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Descripción
En los últimos años, las normas para fabricación de cemento han sufrido importantes cambios, con una tendencia a adecuarse a las necesidades de la construcción moderna y a contribuir a la reducción de los gases con efecto invernadero, con especial énfasis en el CO2.
Para establecer los requisitos de los cementos, el INEN emitió la NTE INEN 152, equivalente a la ASTM C150, que cubre los Cementos Portland, Tipos I al V (OPC = Ordinary Portland Cements). Producir estos cementos genera más CO2 que la fabricación de los cementos actuales, debido a los procesos físico-químicos inherentes en su forma de producirlos.
Luego surge la NTE INEN 490, equivalente a la ASTM – C595, en donde setienen cementos compuestos con adiciones de puzolana, en otras palabras, una norma contemporánea, con el cemento Tipo IP. Estos cementos, al producirlos, generan menor cantidad de CO2 y se introducen conceptos de durabilidad en los cementos y hormigones comunes.
Finalmente, tenemos la norma actual NTE INEN 2380, equivalente a la ASTM – C1157. A diferencia de las normas anteriores en donde se establecían límites en la composición química, en esta norma el requisito prioritario es el desempeño de los cementos hidráulicos al ser usados en hormigón, es decir, una norma moderna, con tipos de cementos tales como:
• Tipo GU (Uso general)• Tipo HE (Alta resistencia inicial)• Tipo HS (Alta resistencia a los sulfatos)• Tipo MS (Moderada resistencia a los sulfatos)• Tipo MH (Moderado calor de hidratación)• Tipo LH (Bajo calor de hidratación)
Horno horizontal, Planta Holcim Guayaquil
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Molino vertical, Planta Holcim Guayaquil
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Estos cementos colaboran con el medio ambiente debido a que su producción genera menos cantidad de CO2; adicionalmente, su mayor ventaja es que sus usos y aplicaciones van encaminados a los modernos conceptos de durabilidad.
En todas las plantas de Holcim Ecuador se cuenta con las certificaciones internacionales ISO 9001:2008, ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007, lo cual fortalece nuestros procesos de manera continua, enrumbándonos hacia los grandes cambios que revolucionan el mundo de la construcción, produciendo cementos que superan los más altos estándares de calidad.
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Proceso de fabricación del cemento
El proceso de fabricación del cemento se inicia con la extracción de calizas y arcillas en las canteras, y su trituración para reducir el tamaño de las rocas hasta partículas de aproximadamente 25 mm.
El material triturado (arcilla y caliza), se almacena en patios desde donde se transporta en bandas hacia los molinos de crudo. De los molinos se obtiene un material muy fino, conocido como harina cruda, que se deposita en los silos de almacenamiento.
La siguiente etapa consiste en la calcinación de la harina cruda, que se realiza en hornos, a temperaturas cercanas a los 1450 °C, donde se producen reacciones químicas que dan lugar al clínker, el mismo que está
compuesto principalmente por los siguientes óxidos:
Óxido de calcio
Dióxido de silicio
Óxido de aluminio
Óxido férrico
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
El clínker, junto con el yeso y las adiciones, se transportan a los molinos
donde se obtiene el cemento. Luego se almacena en silos y se distribuye a
los clientes en sacos o al granel.
Durabilidad del hormigón
El más común de los elementos que se produce con cemento es el hormigón, de allí su importancia en que éste sea durable. La durabilidad del hormigón de cemento hidráulico se define como su capacidad para resistir la acción del intemperismo, los ataques químicos, la abrasión, permeabilidad, corrosión del acero de refuerzo o cualquier otro proceso de deterioro. Un hormigón durable conservará su forma, calidad y trabajabilidad originales al estar expuesto a su ambiente.
El uso cada vez más difundido del hormigón en países de clima cálido ha puesto en evidencia el hecho de que las temperaturas elevadas agravan los procesos químicos perjudiciales, tales como la corrosión y las reacciones álcali-agregado. Además, para dosificar y preparar hormigones durables, se deberían considerar los efectos combinados de inviernos fríos y veranos cálidos.
La resistencia a los sulfatos, presentes en el suelo, el agua del suelo o el agua de mar, se logra utilizando materiales cementicios adecuados y mezclas de hormigón correctamente dosificadas, sujetas a un adecuado
control de calidad.
Edificios River Towers, vía Samborondón
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El hormigón se comporta satisfactoriamente bajo exposiciones
correspondientes a diferentes condiciones atmosféricas, a la mayoría de
las aguas y suelos que contienen sales perjudiciales y bajo muchos otros
tipos de exposiciones. Sin embargo, existen algunos ambientes en los
cuales, a menos que se tomen medidas específicas, la vida útil aun del
mejor hormigón, será muy breve. Comprender estas condiciones, permite
tomar medidas para evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se
produce. Algunos de los factores que provocan mayor preocupación son la
exposición a los sulfatos, el agua de mar, los ácidos y la carbonatación.
Tabla 1.- Factores que afectan el ataque del hormigón por parte de los agentes químicos.
1. Elevada porosidad debida a:
• Elevada absorción de agua • Permeabilidad • Vacíos
2. Fisuras y separaciones debidas a:
• Concentración de tensiones • Choque térmico
3. Lixiviación y penetración de líquidos debido a:
• Flujo de líquidos • Formación de charcos • Presión hidráulica
1. Hormigón denso obtenido mediante:
• Correcta dosificación de la mezcla • Contenido unitario de agua reducido • Mayor contenido de material cementicio • Incorporación de aire • Compactación adecuada • Curado efectivo
2. Tensiones de tracción reducidas en el hormigón, atribuibles a: • Uso de armadura de tracción de tamaño adecuado y correctamente ubicada. • Inclusión de puzolana (para reducir el aumento de temperatura) • Colocación de materiales adecuados en las juntas de contracción
3. Diseño estructural: • Minimizar las áreas de contacto y turbulencia • Proveer membranas y sistemas con barreras protectoras para reducir la penetración.
Fuente: ACI 201.2R
1. La dosificación de la mezcla, mezclado y procesamiento inicial del hormigón fresco, determinan sus homogeneidad y densidad.
2. Si los procedimientos de curado son defectuosos, se producirán fallas y fisuras
3. La resistencia a la fisuración depende de la resistencia y capacidad de deformación.
4. El movimiento de las sustancias perjudiciales que transportan agua, aumenta las reacciones que dependen tanto de la cantidad como de la velocidad del flujo.
5. Los hormigones que frecuentemente estarán expuestos a agentes químicos que se sabe producen un rápido deterioro del hormigón, se deberían proteger con una barrera resistente a dichos agentes químicos.
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Factores que aceleran o agravan el ataque
Factores que mitigan o demoran el ataque
Fuente: ACI 201.2R
Fuente: ACI 201.2R
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Laboratorio de control de calidad, Planta Holcim
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Exposición a agentes químicos agresivos
Los sulfatos de sodio, potasio, calcio o magnesio que ocurren en la
naturaleza, pueden atacar al hormigón endurecido; algunas veces se
encuentran en el suelo y otras disueltos en el agua adyacente a las
estructuras de hormigón.
Laboratorio de control de calidad, Planta Holcim
Las formas principales de sulfato que producen deterioro sobre los componentes del hormigón, son la formación de etringita (aluminato de calcio trisulfato 32-hidratado, CAO•Al2O3•3CaSO4•32H2O) y yeso (sulfato de calcio dihidratado, CaSO4•2H2O). La formación de etringita puede generar un aumento del volumen sólido, provocando expansión y fisuración. La formación de yeso puede provocar ablandamiento y pérdida de resistencia del hormigón.
La protección contra los ataques por sulfatos se logra utilizando hormigones que retrasen el ingreso y el movimiento del agua, así como el uso de ingredientes adecuados para producir hormigones que tengan la resistencia necesaria a los sulfatos. El ingreso y el movimiento del agua se reducen disminuyendo la relación a/c.
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Generalmente, las soluciones que contienen sulfato de calcio son menos agresivas que las que contienen sulfato de sodio, las cuales a su vez, en general son menos agresivas que las que contienen sulfato de magnesio.
Se puede establecer que las cenizas finas, las puzolanas naturales, la micro sílice y las escorias, son adecuadas para proveer resistencia a los sulfatos, demostrando que las expansiones en barras de mortero sometidos a una solución normalizada de sulfato, son menores al 0.1% en un año al ser ensayados individualmente con cemento portland, de acuerdo con la norma ASTM C 1012.
La acción de las sales en el agua que contiene sulfato de sodio, carbonato de sodio y cloruro de sodio, provoca daños que típicamente ocurren en las superficies expuestas del hormigón húmedo que están en contacto con suelos que contienen las sales mencionadas. Una vez disueltas, los iones se pueden transportar a través del hormigón y luego concentrarse y precipitar en la superficie expuesta. Los daños se producen en forma de escamas superficiales, de aspecto similar a las producidas por los ciclos de
congelamiento y deshielo.
Laboratorio de hormigón. Cilindros de muestra
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Sala de almacenamiento de arcillas, Planta Holcim GU3
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Dovelas. Puente de la Unidad Nacional, Guayas
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Por la exposición al agua de mar, cuando se construyen estructuras de hormigón en áreas costeras, si las cimentaciones se encuentran por debajo del nivel del agua salobre, la succión capilar y la evaporación pueden provocar súper saturación y cristalización en el hormigón por encima del nivel del terreno, lo cual provocaría tanto un ataque sobre el hormigón (sulfato) como la agravación de la corrosión del acero (cloruros). En las regiones de clima tropical, la combinación de estos efectos perjudiciales puede provocar graves defectos en el hormigón en apenas unos pocos años.
El requisito de baja permeabilidad es fundamental no sólo para retrasar los efectos de los ataques por sulfatos, sino también para lograr una protección adecuada de las armaduras con el mínimo recubrimiento de hormigón recomendado por ACI 357R-84 para el caso de exposición al agua de mar. La baja permeabilidad requerida se obtiene utilizando hormigones con baja relación a/c, bien consolidados y adecuadamente curados.
Otro tema importante en la durabilidad del hormigón que contiene elementos de acero es evitar las condiciones que provocan la corrosión del acero de las armaduras y de pretensado. Debido al ambiente altamente alcalino de la pasta de cemento portland, normalmente el hormigón provee protección contra la corrosión a las armaduras si éstas están correctamente embebidas.
Si esta protección es o no adecuada, depende del recubrimiento de hormigón sobre el acero, de las propiedades del hormigón, detalles constructivos y grado de exposición a los cloruros de los componentes utilizados para elaborar el hormigón y las fuentes externas.
El ACI 201.2R en base a estudios de investigadores concluye que la relación a/c de un hormigón que ha de estar expuesto al agua de mar o agua salobre, o de un hormigón que ha de estar en contacto con cloruros,
no debería ser mayor que 0.40.
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Cualquier medio utilizado para disminuir la permeabilidad del hormigón, como por ejemplo el uso de reductores de agua de alto rango, puzolanas y la micro sílice, demorará el inicio de la corrosión para los elementos de acero.
Resistencia 1 día (MPa)
Resistencia 3 días (MPa)
Resistencia 7 días (MPa)
Resistencia 28 días (MPa)
TIPO I
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TIPO II
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GU
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HS
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HE
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GU(HS)
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HE
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Tabla # 1: Requerimientos especificados por INEN C 152, INEN 2380 y los valores de Holcim
Los valores tomados para la medición de las resistencias de Holcim Fuerte Tipo GU, Holcim Premium Tipo HE
y Holcim Ultra Durable Tipo GU (HS) obedecen a valores promedios de producción continua. Los despachos
individuales podrían variar.
El proyecto Toachi Pilatón usa cemento Holcim Premium Tipo HE en hormigón lanzado, alcanzando resistencias superiores a lo indicado por la Norma. Este cemento se lo emplea en todas las plantas productoras de concreto premezclado Holcim a nivel nacional.
Ventajas y aplicaciones de nuestros cementos Tipos GU, HE y HS.
Altas resistencias iniciales y finales: Las especificaciones de resistencia
a la compresión, para los cementos Tipo GU y HE, contempladas en la
norma NTE INEN 2380 equivalente a la ASTM C 1157, son más exigentes
que las especificadas para los cementos Tipo I y Tipo II en la ASTM C 150,
tanto a edades tempranas como a los 28 días de edad.
Comparativo de Resistencia Holcim Fuerte Tipo GU
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Comparativo de Resistencia Holcim Premium Tipo HE
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3 Días 7 Días 28 Días
1 Día 3 Días 7 Días 28 Días
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NTE INEN 2380 HOLCIM PREMIUM TIPO HE
INEN 152 INEN 2380 Holcim Ecuador
Valores físicosRubro
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No menos que Valores típicos
Proyecto Toachi Pilatón, Pichincha
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NTE INEN 490(Cemento Tipo IP)
NTE INEN 2380(Cemento Tipo GU)
Cemento Holcim Fuerte Tipo GU
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Puente de Unidad Nacional, Guayas
Gran durabilidad
Durante la elaboración del concreto, la hidratación del cemento da como resultado una solución que contiene hidróxidos de calcio, sodio y potasio (CaOH2, NaOH y KOH). Estos compuestos pueden ser lixiviados desde el concreto y en estado libre, contribuyen al deterioro del hormigón con reacciones expansivas, como la reacción álcali-agregado y el ataque de sulfatos a la pasta de cemento.
Los cementos que contienen adiciones minerales con propiedades puzolánicas como los Tipos GU, HS y HE, tienen la ventaja de que la puzolana ayuda a controlar la lixiviación a través de dos mecanismos: a) Reduciendo la permeabilidad, b) Convirtiendo el hidróxido de calcio soluble, en silicato de calcio hidratado (CSH, gel cementante).
En resumen, la puzolana fija la cal que se libera durante los procesos de hidratación del cemento, formando compuestos con propiedades cementicias.
Resistencia a los sulfatos
Los sulfatos reaccionan con el hidróxido de calcio liberado durante la hidratación del cemento, formando sulfatos de calcio (yeso); y el sulfato de calcio reacciona con el aluminato de calcio hidratado, formando sulfoaluminato de calcio (etringita). Estas reacciones causan expansión y pueden producir la descomposición del concreto. Los sulfatos pueden estar presentes en el terreno, disueltos en el agua subterránea, en los efluentes o desechos industriales, en los agregados, en las aguas de embalses, en el agua de mar, etc.
Generalmente, las especificaciones de los cementos limitan el contenido de aluminato tricálcico (C3Al) como criterio para la resistencia a los sulfatos. Por esto la NTE INEN 152 recomienda el uso del cemento Tipo II (que debe tener 8% o menos de C3A) cuando se requiera proporcionar moderada resistencia a los sulfatos; y el cemento Tipo V, con menos de 5% de C3A,
para alta resistencia al ataque de sulfatos. Sin embargo, los estudios han
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Ingreso principal, Planta Holcim Latacunga
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demostrado que los cementos que potencialmente contienen menos hidróxido de calcio en la hidratación (como los cementos puzolánicos) se comportan bien en exposición de sulfatos.
Según la NTE INEN 2380, para que un cemento califique como de moderada resistencia a sulfatos (MS), la expansión máxima en barras de mortero ensayadas según ASTM C 1012 no debe exceder del 0.10% a los 6 meses; y para que cumpla como de alta resistencia a sulfatos (HS), la expansión no debe exceder de 0.05% a los 6 meses o del 0.10% a los 365 días de edad.
La resistencia del hormigón a los sulfatos no solo depende de usar un cemento apropiado, también puede mejorarse significativamente produciendo un concreto impermeable y denso, con baja relación de agua-cemento, según recomendación de NEC 2011 Tabla 1.8, con suficiente contenido de cemento, y que sea bien colocado, compactado y curado.
Baja permeabilidad
Una de las propiedades de los cementos con puzolanas es su capacidad para disminuir la permeabilidad del hormigón. Mientras menor sea la permeabilidad del hormigón mayor será su durabilidad, pues se reduce la penetración de iones agresivos del ambiente.
Por ejemplo, en la construcción de túneles, la concentración de dióxido de carbono (CO2), puede sobrepasar del 1% como consecuencia del tráfico vehicular. En cambio, en un ambiente rural, la concentración de dióxido de carbono es apenas el 0.03% como promedio, aunque en las grandes ciudades puede alcanzar hasta el 0.3% por volumen.
Bajo determinadas condiciones de humedad, esta concentración de CO2 en
los túneles, puede acelerar el fenómeno de carbonatación en hormigones
permeables, al reducir el pH del hormigón a un valor más neutro y causar la
oxidación del acero de refuerzo.
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En estos casos, se recomienda usar cementos con puzolanas naturales
(como el GU, HS y HE) u otros materiales como el humo de sílice (un
subproducto obtenido de la producción de silicio) o ceniza volante
(subproducto de la combustión de carbón mineral).
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Entrada a Machala
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Bajo calor de hidratación
En hormigones masivos o en estructuras que tengan gran sección transversal, como las zapatas de los puentes, es necesario reducir el calor de hidratación para controlar las fisuras por contracción de la pasta de cemento. Se recomienda refrescar los elementos y usar cementos con puzolanas.
Se ha podido establecer que la parte de cemento que se reemplaza con puzolana, genera solamente el 50% del calor de hidratación que la del cemento reemplazado.
Sostenibilidad
En la fabricación del cemento, la fuente principal de emisiones de CO2 ocurre durante la producción del clínker, el mismo que se obtiene de la calcinación en hornos giratorios de una mezcla debidamente proporcionada de partículas muy finas de arcillas, calizas y otros materiales, hasta alcanzar temperaturas de 1.450 °C.
En las pilas y pilotes del cuarto puente sobre el río Babahoyo, se usó con éxito el cemento Tipo HE de Holcim, en lugar del cemento Tipo II usado en el puente “Unidad Nacional” sobre el río Daule.
Pero los cementos GU y GU (HS) de Holcim generan menos calor. En ocasiones pueden alcanzar a los 7 días un calor de hidratación de 290 kJ/kg (70 kcal/kg) es decir, el límite de los cementos Tipo MH de la ASTM C 1157.
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Centro Comercial Maltería Plaza, Latacunga
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El combustible que alimenta los hornos, así como todo el proceso de calcinación produce emisiones.
Recordemos que los cementos Tipo I y Tipo II se obtienen por la molienda conjunta del clínker de cemento portland y un pequeño porcentaje de yeso (4 a 5%). Es decir, es un producto que se obtuvo en el proceso de clinkerización en el horno.
En cambio, en los cementos adicionados como los Tipos GU, HS y HE, parte del clínker se reemplaza por otros materiales cementicios como las puzolanas naturales que no necesitan calcinación, reduciendo en gran porcentaje las emisiones de CO2 a la atmósfera y contribuyendo a la preservación del medio ambiente.
Holcim es miembro de la Cement Sustainability Initiative (CSI), que agrupa a los 23 productores de cemento más importantes del mundo con operaciones en más de 100 países, que creen en el desarrollo sostenible de la industria del cemento.
Otras aplicaciones
Viales y transporteLos cementos GU - HS y HE de Holcim se han usado en las principales obras de infraestructura a nivel nacional. Por ejemplo, en el puente Bahía – San Vicente, en el cuarto puente sobre el río Babahoyo; en los Aeropuertos de Santa Rosa, Tena y Latacunga; en las obras que construye el Cuerpo de Ingenieros del Ejército; en las carreteras a cargo del MTOP como la Vilcabamba – Bellavista - La Balsa, la Loja - Zamora, la Chone - Rocafuerte, la Cuenca – Molleturo - Naranjal, en las carreteras construidas por la Prefectura de la provincia de El Oro, como la vía de 8 carriles Santa Rosa - Machala y “Y” de Corralitos - Tillales etc.
También se han usado en caminos urbanos importantes como la construcción de la Avenida Isidro Ayora, la Avenida del Bombero, los carriles de la Metrovía y las vías de los túneles San Eduardo de la ciudad de Guayaquil; la Terminal Terrestre Sur, los nuevos carriles del Trole, el Metro en Quito etc.
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Av. Carlos Julio Arosemena, Guayaquil
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Holcim Ecuador S.A.Planta GuayaquilKm. 18.5, Vía a la Costa,Guayaquil, Ecuador.Teléfonos: (593-4) 3709000Fax: (593-4) 3709000, Ext. 1232.Casilla: 09 - 01 - 04243
Planta LatacungaBarrio San Rafael, Vía San Juan,Latacunga, Ecuador.Teléfonos: (593-4) 280 1773
(593-4) 280 8223Fax: (593-4) 281 4247
www.holcim.com/ec
Holcim Ecuador S.A.Planta Guayaquilkm. 18.5, vía a la costa,Guayaquil, Ecuador.Casilla: 09-01-04243 Teléfonos: (593-4) 3709000
Planta LatacungaBarrio San Rafael, vía a San Juan,Latacunga, Ecuador.Teléfonos: (593-3) 238 9177 (593-3) 238 9133 (593-3) 238 9135 (593-3) 238 9043
[email protected] (465246)
