Consistencia normal y fraguado

PRÁCTICA IV: CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO (INV E-310) TIEMPO DE FRAGUADO, APARATO DE VICAT (INV E-305) FRAGUADO INICIAL DEL CEMENTO, FALSO FRAGUADO (INV E-308) MEZCLA MECÁNICA (INV E-321)
Cristian Camilo Guerrero Castro
Popayán, Miércoles 8 de Octubre del 2014
LABORATORIO DE MATERIALES II
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
1. INTRODUCCIÓN
El cemento como agente conglomerante, necesita del agua para formar la reacción química que permita la hidratación y el desarrollo de sus propiedades tan importantes en la ingeniería: la formación de una roca artificial altamente resistente. Se llama fraguado al tiempo en que una mezcla de mortero tarda en pasar de su estado plástico al sólido, es decir, a formar la roca. El ingeniero francés Vicat, realizó abundantes estudios a mezclas de caliza y algunos conglomerantes con el fin de determinar un método que permitiera comparar el tiempo transcurrido con la consistencia que iba alcanzado una mezcla determinada, de allí nace el mundialmente utilizado aparato de Vicat cuyo principal uso radica en la determinación del estado de consistencia normal de una mezcla así como el tiempo en que esta dura en fraguar, pero como para ello se debe esperar una gran cantidad de tiempo, se estandarizaron unas penetraciones en un tiempo determinado, para determinar cómo iban fraguando las mezclas y así poder compararlas entre sí.
Aunque existen muchos métodos, durante el desarrollo de esta práctica se toma dicho aparato para medir las propiedades anteriormente descritas. Los procesos expuestos a continuación fueron tomados de la norma de INVIAS del año 2007 y aplicados a un mortero elaborado durante la práctica con el fin de estimar su evolución en el cambio de estado, conocer los resultados generales ya que varían muy poco de un mortero a otro y cumplir así con la práctica académica.
La importancia en las estimaciones de la consistencia normal y el fraguado radica en que los morteros se elaboran con materiales distintos químicamente entre sí, aunque nace del mismo concepto (cemento, agua y arena) cada material varía su composición de acuerdo a la empresa fabricadora en el caso del cemento, la fuente natural de donde venga la arena, las condiciones químicas del agua, etc. Por ello se decide mantener constante la proporción cemento - arena y variar el contenido de agua para lograr una manejabilidad deseada en la mezcla, de aquí nace la base conceptual de la consistencia normal y el tiempo de fraguado, tema fundamental de este informe.

CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO, TIEMPO DE FRAGUADO,
FRAGUADO INICIAL Y MEZCLA MECÁNICA
2. MARCO TEÓRICO
2.1 CONSISTENCIA NORMAL
Se usa para producir una pasta normal, es decir el contenido de agua que el cemento necesita para adquirir una `consistencia normal', es decir, una consistencia estandarizada. La consistencia se mide por medio del aparato de Vicat, utilizando un émbolo de 10 mm de diámetro, enseguida se coloca el émbolo en contacto con la superficie superior de la pasta y se suelta. Por la acción del propio peso del émbolo, éste penetra en la pasta, y la profundidad de penetración depende de la consistencia de la pasta. La pasta se considera de consistencia normal cuando la sonda penetra 10 ± 1 milímetro a los 30 segundos de haber sido soltada, según la norma INVIAS 2007. El contenido de agua de la pasta estándar se expresa como porcentaje en peso de cemento seco, y el valor normal varía entre 26 y 33 %, es decir entre 130 y 165 ml para 500 gramos de cemento (RINCÓNDELVAGO, 2014)
2.2 FRAGUADO Es el proceso de endurecimiento y pérdida de plasticidad del hormigón (o mortero de cemento), producido por la desecación y recristalización de los hidróxidos metálicos —procedentes de la reacción química del agua de amasado— con los óxidos metálicos presentes en el clínker que compone el cemento (WIKIPEDIA, 2014). Aunque durante el fraguado la pasta adquiere alguna resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último se refiere al aumento de la resistencia de una pasta de cemento fraguada.
Figura 1. Aparato de Vicat usado en la consistencia normal. Fuente: propia

El fraguado es causado por una hidratación selectiva de los componentes principales. El C3A puro al entrar en contacto con el agua presenta una reacción muy violenta y lleva a un inmediato endurecimiento, esto produce un aspecto desfavorable en el cemento debido a que las mezclas endurecerían a muy corto plazo y no podrían ser transportadas y colocadas sino con muchos problemas. Para prevenir esto, al Clinker se le agrega yeso (CaSO4.2H2O); el C3A y el yeso reaccionan para formar un compuesto inestable e insoluble llamado sulfoaluminato de calcio (3CaO.AL2O3.3CaSO4.31H2O). Posteriormente, los silicatos empiezan a hidratarse y comienza por consiguiente a fraguar formando una pasta de consistencia semisólida (fraguado inicial), luego el sulfoaluminato se descompone lentamente dejando libre al C3A que se hidrata conjuntamente con el C4AF dándole a la pasta una consistencia sólida produciendo de esta forma el fraguado final (RIVERA, 2014). Existen muchos ensayos para la determinación del tiempo de fraguado, como el de las agujas de GILLMORE o el Aparato de Vicat, siendo el segundo el más utilizado y el que se describirá durante este informe.
2.2.1 FALSO FRAGUADO
Consiste en una rigidez prematura y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos después de haberlo mezclado con agua. El falso fraguado se pone en evidencia por una gran pérdida de plasticidad, sin generar mucho calor después de haberse realizado la mezcla. Cuando esta pasta endurecida se remezcla sin adicionar agua, su plasticidad se recupera y fragua normalmente sin pérdida de resistencia. El falso fraguado es motivado generalmente por deshidratación del yeso cuando se mezcla con Clinker demasiado caliente. Para evitar lo anterior, en la práctica normal se enfría el Clinker antes de la molienda.
2.2.2 FRAGUADO RELÁMPAGO
Se dice que la mezcla tuvo un fraguado relámpago o sea una verdadero fraguado pero en tiempo muy corto si después de remezclar sin adicionar agua, esta no recupera su plasticidad y desprende calor en forma apreciable. Este fenómeno se debe principalmente a la falta de yeso al molerse el Clinker y yeso; el C3A presente en el Clinker, al no haber yeso extra en contacto con el agua reaccionando rápidamente, produciendo el endurecimiento de la pasta.
3. PROCEDIMIENTO
3.1 CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO (INV E-310)
 Se ha de iniciar por garantizar la temperatura adecuada del lugar, la cual debe estar entre 20 y 27.5ºC, así como una humedad relativa no menor al 50%. La temperatura del agua debe estar en 23 ±1.7ºC.
 Se debe mezclar 65º g de cemento con una cantidad determinada de agua, de acuerdo al proceso de mezcla mecánica (3.4)

 Se toma la pasta formada y se moldea esféricamente con las manos cubiertas por guantes. Se lanza 6 veces de una mano a otra a una distancia aproximada de 6’’ (pulgadas).
 Con la muestra en la mano se llena el molde por la base mayor, el exceso de pasta se retira con un solo movimiento de la palma de la mano. Se coloca la placa sobre la base mayor, se voltea el conjunto y se retira el exceso de la base menor con un palustre, de manera que este haga un ángulo pequeño con la superficie de la pasta.
 Se lleva el molde unto con la placa al aparato de Vicat, centrándolo debajo del vástago hasta que el extremo del embolo apenas toque la superficie de la pasta. Se lee la posición inicial y se suelta el vástago al mismo tiempo que se activa el cronómetro por 30 segundos, tiempo después del cual se realiza la lectura final.
 La consistencia normal se logra cuando el embolo penetra 10±1 mm en los 30 segundos. Si dicho valor no se obtiene en el primer tanteo se deberá repetir la operación variando la cantidad de agua hasta obtenerla.
 Se calcula cantidad de agua en porcentaje de peso de cemento, requerida para obtener la penetración de consistencia normal:
3.2 TIEMPO DE FRAGUADO, APARATO DE VICAT (INV E-305)
 Se ha de iniciar por garantizar la temperatura adecuada del lugar, la cual debe estar entre 20 y 27.5ºC, así como una humedad relativa no menor al 50%. La temperatura del agua debe estar en 23 ±1.7ºC.
 Se toman 500g de cemento y se mezclan con el porcentaje de agua hallado anteriormente para la consistencia normal del cemento según el Título 3.4.
 En caso de que se haya acabado de realizar el ensayo de consistencia normal, se podrá utilizar la misma pasta.
 Rápidamente se le debe dar forma esférica a la pasta y tirarla de una mano a otra, 6 veces a una distancia aproximada de 15 cm. Se toma el molde se llena con la pasta por la base mayor.
 Se coloca la placa sobre la base mayor, se voltea el conjunto y se retira el exceso de la base menor con un palustre, de manera que este haga un ángulo pequeño con la superficie de la pasta.
 Finalizado el moldeado se debe llenar todo el sistema al cuarto húmedo por 30 minutos, que debe estar a 23ºC y una humedad relativa no menor al 90%. A partir de allí sólo se sacará la muestra para determinar el tiempo de fraguado.
 Se deberá extraer la muestra periódicamente para llevarla al aparato de Vicat y determinar la penetración de la aguja de 1mm de diámetro en 30 segundos. Se deberán hacer las mediciones cada 15 minutos (o 10 para cementos Tipo 3) hasta que se obtenga una penetración de 25 mm o menos en los 30 segundos.
 Se lee la posición inicial y se suelta el vástago al mismo tiempo que se activa el cronómetro por 30 segundos, tiempo después del cual se realiza la lectura final, las penetraciones deben estar separadas por lo menos 6mm entre sí y 10mm del borde interior del molde.

 El tiempo transcurrido desde la preparación de la muestra hasta lograr la penetración de los 25mm se hallará por interpolación y corresponderá al tiempo de fraguado, el cual no es menor a 45 minutos en condiciones normales.
3.3 FRAGUADO INICIAL DEL CEMENTO (INV E-308)
 Se debe garantizar una temperatura ambiente de 23±3ºC. La temperatura del agua debe ser de 23±2ºC y la humedad relativa no debe ser menor al 50%.
 Se deben mezclar 500g de cemento con una cantidad de agua suficiente para lograr una penetración inicial de 32±4ºC en 30 segundos por medio del siguiente procedimiento: primero se vierte agua en el recipiente, luego se le agrega el cemento y se 30 s para que absorba el agua. Se pone en mezcla lenta (140±5 rpm) durante 30 s. Se detiene la mezcladora por 15 s, tiempo durante el cual se raspa la pasta adherida las paredes del recipiente. Se pone en mezcla rápida (285±10 rpm) durante 150 s. Se emplean 20 s para moldear la pasta en forma esférica, llenar el molde por la base mayor, remover el exceso, colocar la placa, girar el sistema y quitar excesos con el palustre.
Determinación de la penetración inicial:
 Se coloca el molde en el aparato de Vicat, con el vástago a un tercio del diámetro del molde. Se suelta el vástago por 30 s.
 Se considera que la pasta tiene la consistencia apropiada cuando la sonda penetra 32 ± 4 mm abajo de la superficie, después de 30 segundos de ser liberada. Se deben hacer los tanteos necesarios para conseguir dicha penetración.
Determinación de la penetración final:
 Si la pasta obtuvo una penetración en el rango establecido, se lleva rápidamente a la cámara húmeda por 5 minutos. Transcurrido el tiempo se lleva de nuevo al aparato de Vicat para liberar la sonda por 30 s y estimar la penetración final.
Determinación de la penetración por remezclado:
 Si las mezclan presentan un posible endurecimiento rápido, se lleva la pasta del molde inmediatamente a la mezcladora para mezclar a velocidad rápida (285±10 rpm) durante 1 minuto. Se llena de nuevo el molde en 20 s tal como se describió anteriormente y se realiza una tercera penetración por 30 s tal como se ha descrito en este procedimiento. Se anota también la lectura de penetración.

3.4 MEZCLA MECÁNICA (INV E-321)
 Se vierte la totalidad de agua en el recipiente
 Se le agrega la cantidad del cemento y se deja reposar por 30 s para que este absorba el agua.
 Se mezcla a velocidad lenta (140±5 rpm) durante 30 s.
 Se detiene la mezcladora durante 15 s, tiempo durante el cual se raspa la pared del recipiente para retirar la pasta adherida.
 Se mezcla a velocidad rápida (285±10 rpm) durante 60 s.
4. RESULTADOS
4.1 CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO (INV E-310)
Se inició escogiendo un porcentaje de agua: 26.5%.
Masa del cemento: 500 g.
Luego el 26.5% de 500 es 132.5 g, lo que equivale a la masa del agua a tomar, pero como la densidad del agua es 1g/cm3, la misma masa se toma en volumen, es decir 132.5 cm3 de agua. 1 cm3 es igual a 1 ml, por lo tanto en la probeta se midieron 132.5 ml de agua.
Se accionó el cronómetro y la lectura final fue de 11 mm, por lo tanto se logró la consistencia normal ya que el valor de penetración debía dar entre 9 y 11 ml.
Porcentaje de agua de agua para consistencia normal:

4.2 TIEMPO DE FRAGUADO, APARATO DE VICAT (INV E-305)
TIEMPO
(min) Cemento 1 Cemento 2
30 40 40
45 40 40
60 40 40
75 40 40
90 40 40
105 40 40
120 39 39
135 37 38.5
150 33 38.5
165 26.5 37
180 21 35
195 5 33
210 2.5 28
225 1.5 25
240 0 22
255 19
270 10
285 3
300 0
PENETRACIÓN (mm)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200 250 300 350
Penetración (mm)
Tiempo (min)
SeCrieems1ento 1 SeCreiems2ento 2
160, 25

Así para el cemento 2 se obtuvo un tiempo de 225 min para producir la penetración de 25 mm. Por parte del primer cemento se hizo necesaria la interpolación, lo que arroja un resultado aproximado de penetración de 25 mm en 160 min aproximadamente. Por parte del fraguado inicial para el cemento 2 se necesitaron 300 min y para el 1 se tardó 240 min.
4.3 FRAGUADO INICIAL DEL CEMENTO (INV E-308)
Se inició escogiendo un porcentaje de agua cualquiera: 29%
Masa del cemento: 500 g.
El 29% de 500 es 145 g, que corresponden a la masa del cemento y por razones explicadas anteriormente equivaldrían a 145 ml de agua a medir en la probeta.
Determinación de la penetración inicial:
Se hizo el primer ensayo de penetración para ver si esta estaba entre 28 y 36 mm en los 30 s.
Lectura inicial: 2 mm Lectura final: 30 mm Penetración: 30-2= 28 mm
Determinación de la penetración final:
Se esperaron los 5 minutos, y luego se llevó al aparato de Vicat para conocer la penetración en 30 s:
Lectura inicial: 0 mm Lectura final: 21 mm Penetración: 21 mm
Por lo tanto el % de penetración es:
Determinación de la penetración por remezclado:
Luego de la mezcla y el debido proceso, se llevó la muestra al aparato de Vicat para conocer su penetración en 30 s:
Lectura inicial: 0 mm Lectura final: 28 mm Penetración: 28 mm
5. CONCLUSIONES
 El porcentaje de agua para lograr la consistencia normal en un mortero varía según la teoría de 26 a 33%, por lo cual el resultado 26.5% obtenido en esta práctica resulta bastante para mezclas de su mismo tipo. Por otro lado el valor esta por el límite inferior, por lo cual se puede afirmar que el cemento usado necesita una cantidad de agua ligeramente baja para su hidratación, lo que se comprobará luego con el ensayo del cono o slump.

 El porcentaje de penetración final 75% cumple con la especificación INV artículo 501 para el uso del mortero, es decir, que el tiempo de fraguado del mortero es ideal y transcurre sin problemas de posible fraguado falso o relámpago. En el caso de la tercera penetración luego del remezclado, la penetración final fue igual a la primera, por consiguiente se concluye que el mortero recuperó su plasticidad inicial, lo cual es bueno ya que el tiempo era mínimo.
 La consistencia normal pretende generalizar un estado de manejabilidad de los morteros elaborados bajo el seguimiento de una norma, durante la práctica se comprobó que a mayor porcentaje de agua/cemento, mayor será la fluidez de la mezcla, pero se debe tener cuidado ya que se puede llegar a extremos en donde dicho porcentaje sobrepase el de consistencia normal, y por el contrario termine disminuyendo la resistencia del mortero.
 Por parte del tiempo de fraguado debido al corto tiempo disponible para la realización de la práctica y por el contrario, la gran cantidad de tiempo que emplea determinar la penetración de 25 mm se dejó en manos de la laboratorista. Así pues se obtuvieron dos cementos con tiempos de 225 y 160 min, se puede apreciar la gran variabilidad de tiempo entre ambos (un poco más de una hora) por lo que queda comprobada la gran variabilidad en los resultados y más en fraguado, incluso tratándose del mismo cemento y mismas condiciones de fraguado y elaboración
6. RECOMENDACIONES Y OBSERVACIONES
 Se debe tener en cuenta que dada la experiencia de la geotecnóloga laboratorista, los porcentajes de agua usados tanto en la estimación de la consistencia normal del cemento como en el fraguado inicial, fueron los ideales por lo que no se hizo necesario la realización de más de dos tandas para su estimación. En realidad esto apresuró la práctica dado el tiempo limitado para su ejecución, aunque no siempre sucede.
 La experiencia del laboratorista será imprescindible para la realización de las prácticas anteriormente descritas, ya que un amplio conocimiento de los posibles resultados, puesto que no hay mayores variaciones de un cemento a otro, agiliza los procedimientos y evitan errores en las estimaciones.
 Durante esta práctica los errores cometidos tal vez fueron mínimos, ya que las determinaciones las hizo una sola persona y con bastante tiempo de experiencia. El grupo en general de estudiantes no participamos de manera manual en la realización del ensayo, ya que las lecturas de penetración son altamente sensibles y requieren muchas precisiones. En general se puede afirmar que los ensayos se realizaron a plenitud.
7. BIBLIOGRAFÍA
 RINCONDELVAGO. Consistencia del cemento. <http://html.rincondelvago.com/consistencia-del-cemento.html (REVISADO 04/10/14)
 RIVERA L., Gerardo Antonio. Concreto Simple. Popayán. UNICAUCA. Editorial UNICAUCA. 2013

 WIKIPEDIA, la enciclopedia libre. Superficie específica. Tomado de internet: <http://es.wikipedia.org/wiki/Fraguado (REVISADO 04/10/14)

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