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Como muchas reacciones químicas, la hidratación de los compuestos del cemento es exotérmica, y la cantidad de calor por gramo de cemento no hidratado, desarrollada hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de hidratación.
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Como muchas reacciones químicas, la hidratación de los compuestos del cemento es exotérmica, y la cantidad de calor por gramo de cemento no hidratado, desarrollada hasta una hidratación total a una temperatura dada, se define como calor de hidratación. Los métodos para determinar su valor se describen en la norma BS 4550 y en la ASTM C 186-82.
Para la mayoría de los elementos de concreto, tales como losas y columnas, el calor generado no trae preocupación porque el calor se disipa rápidamente en el ambiente. Sin embargo, en estructuras de grandes volúmenes, con espesor mayor que un metro cúbico, la tasa y la cantidad de calor generado son importantes. Si este calor no se disipa rápidamente, puede ocurrir un aumento considerable de la temperatura del concreto. Este aumento de temperatura puede ser indeseable, pues después del endurecimiento a altas temperaturas, el enfriamiento no uniforme de la masa de concreto hasta la temperatura ambiente puede crear tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) indeseables.
Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado. Para el promedio usual de cementos Portland, aproximadamente la mitad del calor se libera entre uno y tres días, alrededor de tres cuartas partes a los siete días, y casi el 90% en seis meses.
El calor de hidratación depende de la composición química del cemento, y es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los componentes individuales puros, como cuando sus proporciones respectivas en la masa se hidratan por separado. El calor de hidratación que se produce en un cemento normal es del orden de 85 a 100 cal/g. La siguiente tabla presenta una apreciación cualitativa de la participación de los compuestos principales del cemento Portland en la rapidez de reacción con el agua y en el calor de hidratación por unidad de compuesto.
Al disminuir las proporciones de C3A y C3S, el calor de hidratación del cemento se reducirá. La finura del cemento afecta el índice de incremento de calor, pero no la cantidad total de calor liberada, que puede ser controlada por la cantidad de cemento en la mezcla del concreto.
Hay una regla que establece que el C3S (Silicato tricálcico) contribuye mas al desarrollo de la resistencia durante las primeras semanas, mientras que el C2S (Silicato bicálcico) influye en el incremento posterior de la resistencia. Al cabo de un año los dos componentes, ambas masas contribuyen en forma aproximadamente igual a la resistencia del cemento hidratado. En contraste con la posibilidad de predecir el calor de hidratación del cemento a partir de sus componentes constitutivos, no ha sido posible predecir la resistencia del cemento hidratado con base a su composición.
EQUIPO: Calorímetro: un vaso Dewar (vaso de boca ancha para vacío) de 500 ml de capacidad aproximadamente, provisto de un tapón de corcho, que se coloca en un recipiente adecuado para protegerlo de las variaciones de temperatura.
Termómetros : diferencial y de referencia.- El termómetro diferencial debe ser del tipo Beckmann, graduado por lo menos cada 0.01°C y debe medir como mínimo, un intervalo de 6°C. Embudo. Dispositivo de agitación. Horno. Cronometro. Balanza analítica. Batidora. Cámara con temperatura constante. Tubos de vidro o plástico. Termômetro. Tamices. Frascos pesasustancias.
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DEL CALOR DE HIDRATACION Antes del mezclado, la temperatura del agua y la del cemento deben ser de 23 ± 2°C (73.4 ± 3°F). Con una espátula, se mezclan 150 g de cemento y 60 ml de agua destilada y se agita la mezcla en la batidora por 5 minutos. Una vez preparada la mezcla, se colocan cantidades aproximadamente iguales de pasta en cuatro o más tubos de vidrio, llenándolos hasta unos 13 mm (½") del borde. Inmediatamente después de llenados los tubos, se cierran con tapones de corcho; si es necesario, séllese con parafina. Los tubos se guardan luego en posición vertical dentro de la cámara a una temperatura constante de 23 ± 2°C.
Preparación de la pasta parcialmente hidratada para el ensayo. Después del tiempo especificado para el ensayo, se saca uno de los tubos que estaba en la cámara y, mientras transcurren los 20 minutos del período inicial del mezclado en el calorímetro, se rompe el tubo para sacar la muestra y rápidamente se pulveriza en el mortero hasta que pase totalmente por el tamiz de 850 μm (No.20); enseguida, se pasa a un frasco pesasustancias bien tapado. Las muestras se deben exponer al aire el menor tiempo posible, especialmente las de 7 días, para reducir a un mínimo las pérdidas por evaporación.
Determinación del calor de disolución del cemento seco.- Se determina en la misma forma que la capacidad calorífica del sistema, salvo que se usan 3 g de cemento, pesados con una aproximación de 0.001 g, en lugar de óxido de zinc (ver numeral 5). Los resultados se deben calcular y expresar con E-309–7 base en el peso del cemento calcinado. Esta determinación debe hacerse inmediatamente antes de la correspondiente a la muestra parcialmente hidratada a los 7 días. Determinación del calor de disolución del cemento parcialmente hidratado.-Se determina en la misma forma que el del cemento seco, salvo que se usan 4.18 ± 0.05 g de muestra, pesados con una aproximación de 0.001g. Se deben calcular los resultados con base en el peso del cemento calcinado. Determinación de las pérdidas por calcinación.- Cuando se pesa la muestra que va a introducirse dentro del calorímetro, se debe tomar otra aproximadamente igual, para determinar las pérdidas por calcinación. En el caso del cemento seco, se coloca la muestra en un crisol y se pone en la mufla durante 90 minutos por lo menos, a una temperatura entre 900 a 950°C. Luego se coloca el crisol en un desecador, se deja enfriar a la temperatura del laboratorio e inmediatamente se pesa.
En el caso del cemento parcialmente hidratado, la muestra pesada, se seca en un horno a una temperatura entre 100 a 110°C por 1 hora y luego se coloca en la mufla a 900 - 950°C durante toda la noche o sobre un mechero de gas por un tiempo mayor 5 horas. El peso del cemento introducido al calorímetro se expresa con base en el peso después de calcinado, por medio de la siguiente fórmula: W=(w2/w1)w Donde: W1= Peso del cemento introducido al calorímetro, sobre la base del peso después de calcinado, g. W2= Peso de la muestra calcinada, g. W1= Peso de la muestra antes de la calcinación, g. W = Peso del cemento introducido al calorímetro, g.
CALCULOS: El calor de disolución se calcula como sigue: H1=(RC/Wi)-0.2(T-td) Donde: H1= Calor de disolución, en cal/g de cemento seco. R = Cambio de temperatura corregido, en °C. C = Capacidad calorífica del sistema en cal/°C. Wi= Peso del cemento introducido al calorímetro con base en el peso calcinado, en g. T = Temperatura del cemento cuando fué introducido al calorímetro, en °C (temperatura del laboratorio). td = Temperatura del calorímetro al final del primer período, sobre cemento seco, en °C (t20 más la temperatura a la cual se puso en cero el termómetro Beckmann).
El calor de disolución se calcula como sigue: H2 =(RC/Wi) - 0.4 (T - th) - 0.3 (td - th) Donde: H2 = Calor de disolución del cemento parcialmente hidratado, en cal/g. th = Temperatura del calorímetro al final del primer período, sobre cemento parcialmente hidratado, en °C (t20 más la temperatura a la cual se puso en cero el termómetro Beckmann).
Calor de hidratación.- Debe expresarse con base en 25°C. Una temperatura mayor de 25°C eleva el calor de hidratación aproximadamente en 0.1 calorías por °C y por gramo de cemento calcinado. Por ejemplo, si la temperatura final es de 27°C, deben sustraerse 0.2 calorías del calor de hidratación observado, con el objeto de referirlo a 25°C. En los casos extremos, deben hacerse correcciones adecuadas para determinar la temperatura final del calorímetro. El calor de hidratación se calcula con una aproximación de 1 caloría, como sigue: Hh= H1 - H2 - 0.1 (th - 25) Siendo: Hh = Calor de hidratación, del cemento calcinado en cal/g. H1 = Calor de disolución del cemento seco H2 = Calor de disolución del cemento parcialmente hidratado.
REENSAYOS En caso de que no se cumplan los requisitos exigidos para determinar el calor de disolución a los 28 días, se puede ensayar una muestra de reserva de más de 28 días, añadiendo 0.5 cal/g por día de exceso al calor de disolución observado. El período en el cual esta corrección puede ser hecha está limitado a 4 días. En caso de que la falla se presente en la determinación a los 7 días, debe hacerse el ensayo de nuevo, incluyendo el mezclado de la pasta. No es necesario determinar nuevamente el calor de disolución del cemento seco en reensayos. PRECISION Los resultados de los ensayos efectuados por un mismo operador, sobre una misma muestra, no diferirán en más de 8 cal/g para el calor de disolución, ni más de 10 cal/g para el calor de hidratación. Los resultados de dos ensayos efectuados por laboratorios distintos, sobre una misma muestra, no diferirán en más de 13 cal/g para el calor de disolución, ni más de 11 cal/g para el calor de hidratación. CORRESPONDENCIA: ICONTEC 117 ASTM C 186
