2 Cemento y Materiales Cementicios 2014 Rev.00
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CURSO DE TECNOLOGIA DELCONCRETO
Carrera de Laboratorio deSuelos, Concreto y Asfalto
Ronald Sotomayor S.
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TECNOLOGIA DELCONCRETO
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CEMENTO Y MATERIALESCEMENTICIOS
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El cemento es un producto en polvo hidrulicamente activo, es
decir, que genera resistencias mecnicas al hidratarse.
Se fabrica a partir de una mezcla de clnker y yeso que acta
como controlador de fraguado.
Adems se le pueden aadir otro tipo de adiciones activas como
cenizas volantes, escorias de alto horno, caliza, humo de slice o
puzolanas.
CEMENTO
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El cemento es el ingrediente activo que
interviene en menor cantidad, sin embargo
es el que define las tendencias del
comportamiento.
La mayora de beneficios que obtenemos
del concreto provienen del cemento y la
mayora de problemas.
Propo rcio nes tpicas en vo lum en absolu to de
los componentes del Concreto
Aire = 1 % a 3 %
Cemento = 7 % a 15 %
Agua = 15 % a 22 %
Agregados
60 % a 75 %
Aditivos = 0.1 % a 0.2 %
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Hidratacin delCemento
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La partcula de cemento en contacto con el agua tiene la capacidad de
hidratarse y formar silicatos de calcio hidratados (SCH) o gel de
cemento.
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Estos productos de hidratacin crecen de tal forma que la partcula
de cemento hidratado ocupa aproximadamente el doble del volumen
que ocupaba antes de hidratarse.
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Proceso de hidratacin del Cemento
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FABRICACIN DEL CEMENTO
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Principales Componentes de las
Materias Primas Usadas en laProduccin del Cemento
Calcio Slice
Almina Hierro
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Calcio Hierro Slice Almina Sulfato
Desechosindustriales
Aragonita
Calcita
Polvo delhorno decemento
Roca calcreaCreta
Arcilla
Greda
CalizaMrmol
Marga
Coquilla
Esquisto
Polvo de humode horno defundicin
Arcilla
Mineral dehierro
Costras de
laminadoLavaduras de
mineral
Cenizas depirita
Esquisto
Silicato de calcio
Roca calcrea
Arcilla
Ceniza volanteGreda
Caliza
Loes
MargaLavaduras demineral
Cuarcita
Ceniza de
cscara de arrozArena
Arenisca
Esquisto
Escoria
Basalto
Mineral dealuminio
Bauxita
Roca calcreaArcilla
Escoria decobre
Ceniza
volanteGreda
Granodiorita
Caliza
LoesLavaduras demineral
Esquisto
Escoria
Estaurolita
Anhidrita
Sulfato decalcio
Yeso
Escoria
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Produccin Tradicional de CementoPortland
1. La roca se reduce primero hasta un tamao de 125 mm (5
pulg.) y despus a un tamao de 20 mm (3/4 pulg.) para
entonces se almacenar.
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o
2. Las materias primas se muelen, se mezclan con el agua para formar
una lechada y se mezclan
2. Las materias primas se muelen hasta que se vuelvan en polvo y se las
mezcla
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3. La calcinacin transforma qumicamente las materias
primas en el clnker de cemento
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4. Se muele el clnker junto con el yeso para convertirlos encemento portland y se lo despacha
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Proceso Seco de Produccin de CementoPortland
1. La roca se reduce primero hasta un tamao de 125 mm
(5 pulg.) y despus a un tamao de 20 mm (3/4 pulg.) para
entonces se almacenar
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2. Las materias primas semuelen hasta que se
vuelvan en polvo y se las
mezcla
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3. La calcinacin transforma qumicamente las materias
primas en el clnker de cemento. Observe el
precalentador de cuatro etapas, el horno instantneo y
el horno con menor longitud
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4. Se muele el clnker junto con el yeso para convertirlos
en cemento portland y se lo despacha
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Clinker Yeso
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Proceso de Produccin del Clinker
(1)
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Compuestos Qumicos
del Cemento Portland
Reacciones de Hidratacin de los Compuestos del Cemento Portland
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Reacciones de Hidratacin de los Compuestos del Cemento Portland(Expresados en xidos)
2 (3CaOSiO2)
Silicato triclcico
+ 11 H2O
Agua
= 3CaO2SiO28H2O
Silicato de calcio
hidratado
(C-S-H) hidratado
+ 3 (CaOH2O)
Hidrxido de calcio
2 (2CaOSiO2)
Silicato diclcico
+ 9 H2O
agua
= 3CaO2SiO28H2O
Silicato de calcio
hidratado
(C-S-H) hidratado
+ CaOH2O
Hidrxido de calcio
3CaOAl2O3Aluminato
triclcico
+ 3 (CaOSO32H2O)
Yeso
+ 26 H2O
agua
= 6CaOAl2O33SO332H2O
Etringita
2 (3CaOAl2O3)
Aluminato
triclcico
+
6CaOAl2O33SO332H2O
Etringita
+ 4 H2O
agua
= 3 (4CaOAl2O3SO312H2O)
Monosulfoaluminato de
calcio
3CaOAl2O3
Aluminato
triclcico
+ CaOH2O
Hidrxido de calcio
+ 12 H2O
agua
= 4CaOAl2O313H2O
Aluminato tretaclcico
hidratado
4CaO Al2O3Fe2O3
Ferroaluminato
+ 10 H2O
agua
+ 2 (CaOH2O)
Hidrxido de
= 6CaOAl2O3Fe2O312H2O
Ferroaluminato de calcio
C i i i %
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Tipo de
Cemento
Portland
Composicin qumica, %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2Oeq
I (promedio) 20.5 5.4 2.6 63.9 2.1 3.0 0.61
II (promedio) 21.2 4.6 3.5 63.8 2.1 2.7 0.51
III (promedio) 20.6 4.9 2.8 63.4 2.2 3.5 0.56
IV (promedio) 22.2 4.6 5.0 62.5 1.9 2.2 0.36
V (promedio) 21.9 3.9 4.2 63.8 2.2 2.3 0.48
White
(promedio) 22.7 4.1 0.3 66.7 0.9 2.7 0.18
Composicin potencial de los
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Tipo de Cemento
Portland
Composicin potencial de los
compuestos,%Finura
Blaine
m2
/kgC3S C2S C3A C4AF
I (promedio) 54 18 10 8 369
II (promedio) 55 19 6 11 377
III (promedio) 55 17 9 8 548
IV (promedio) 42 32 4 15 340
V (promedio) 54 22 4 13 373
White
(promedio) 63 18 10 1 482
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Cmo in fluyen los componentes
del cemento en las propiedades del
cemento?
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FASES MINERALES DEL CLINKER
C3S
C2S
C3A
C4AF
3CaO.SiO2
2CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
4CaO.Al2O3.Fe2O3
CaO
MgO
Silicato triclcico
Silicato diclcico
Aluminatotriclcico
Ferroaluminato tetraclcico
Cal libre
Magnesia libre
ABREVIATURAFRMULADESIGNACIN
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a) Silicato triclcico (C3S):
Fase denominada alita.
Constituye del 50% al 70% del clinker.
Se hidrata y endurece rpidamente.
Responsable, en gran parte, del inicio del fraguado y la resistencia
temprana (a mayor % C3S mayor resistencia temprana). Aporta resistencia a corto y largo plazo.
b) Silicato diclcico (C2S):
Fase denominada belita.
Constituye del 15% al 30% del clinker.
Se hidrata y endurece lentamente.
Contribuye al incremento de la resistencia a edades mayores
de 7 das.
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c) Aluminato triclcico (C3A):
Constituye aprox. del 5% al 10% del clinker.
Libera una gran cantidad de calor durante los primeros das
de hidratacin y endurecimiento.
Contribuye al desarrollo de las resistencias muy tempranas y
al fraguado del cemento.
Vulnerable a la accin de los sulfatos: Cementos con bajo %C3A resisten a los suelos y aguas que contengan sulfatos.
d) Ferroaluminato tetraclcico (C4AF):
Constituye aprox. del 5% al 15% del clinker. Se hidrata con rapidez pero contribuye muy poco a la resistencia
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e) Sulfato de calcio:
Yeso: CaSO4.2H2O
Anhidrita: CaSO4
Se adiciona al cemento (aprox. 5%), durante su molienda,
para controlar el fraguado: controla la hidratacin del C3A,formando etringita.
Ayuda a controlar la contraccin por secado y puede
influenciar la resistencia.
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f) Oxido de Magnesio (MgO)
Componente menor, > 5%problemas expansin en la pasta
hidratada y endurecida.
g) Oxidos de Potasio y Sodio (K2O,Na2O-->Alcalis)
Reacciones qumicas con ciertos agregados, solubles en agua
florescencias con agregados calcreos.
h) Oxidos de Manganeso y Titanio (Mn2O3,TiO2).-
Coloracin, resistencia a largo plazo pero en menor orden.
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Inf luencia de los compuestos en las
propiedades del cemento
Rpido y prolongado
Lento y muy prolongado
Muy rpido y de corta duracin
Lento y poco significativo
Alto (120 cal/g)
Bajo (62 cal/g)
Muy alto (207 cal/g)
Moderado (100 cal/g)
Rpida
Lenta
Muy rpida
Rpida
C3S
C2S
C3A
C4AF
DESARROLLO DERESISTENCIA
CALOR DEHIDRATACIN
VELOCIDAD DEHIDRATACIN
FASE
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Mecanismo de hid ratacin del Cemento
Fraguado In ic ial ( caso jun ta f ra )
Es tado Plstico
Endurecimiento
Fraguado Final
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Tiempos de fraguado para cementos Port land
Tipo V*
Tipo IV**
Tipo III
Tipo II
Tipo I
FraguadoinicialFraguadofinal
* Promedio de dos valores para l fraguado inicial y un valor para elfraguado final** Promedio de dos valores para el fraguado inicial
Tiempo de fraguado, minutos (Mtodo de Vicat)
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Estructu ra del cemento hidratado
Poros de gel
Gel de cemento
Agua sob rante
Poros capi lares
Cemento sin hidratar
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POR QU PARA CIERTAS RELACIONESA/C ES IMPOSIBLE MANEJAR LATRABAJABILIDAD SIN ADITIVOS?
Estructura de Hidratacin de la pasta vs Relacin Agua/Cemento
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Estructura de Hidratacin de la pasta vs Relacin Agua/Cemento
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9
Relacin Agua/Cemento
Por
centaje
Cemento Hidratado Cemento sin hidratar Poros capilares Agua de hidratacin Agua Sobrante
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Resistencia en compresin vs Relacin Agua/Cemento
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
Relacin Agua/cemento en peso
Resiste
nciaencompresinfcenkg/cm2
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Tipos de Cemento Portland
I NormalIA Normal con aire incluido
II Moderada resistencia a los sulfatosIIA Moderada resistencia a los sulfatos con aire
incluidoIII Alta resistencia inicial
IIIA Alta resistencia inicial con aire incluidoIV Bajo calor de hidratacinV Alta resistencia a los sulfatos
ASTM C 150 (AASHTO M 85)
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Cementos
Resistentes a los
Sulfatos
Ensayo de Resistencia a los Sulfatos en
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Ensayo de Resistencia a los Sulfatos en
Ambiente Externo
Cemento tipo V (ASTM)Relacin A/C= 0.65
Cemento tipo V (ASTM)Relacin A/C= 0.39
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Cemento de Bajo y Moderado
Calor de Hidratacin
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Tipo II (ASTM)
Cementos deAlta Resistencia
Inicial
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
180%
200%
Desarrollo de la resistencia en compresin en % de la resistencia a 28 das
Tipo I
Tipo II
Tipo III
Tipo IV
Tipo V
28das 90das 180das 1ao 2 aos 5 aos7d as 14d as 21d as
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Cementos Adicionados
Clinker Yeso Cemento
Portland Ceniza volante Escoria Humo de slice
Arcilla calcinada
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Clasificacin de las Adiciones Minerales
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POR QU LAS ADICIONESMINERALES PERMITENREEMPLAZAR AL CEMENTO?
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ADICIN MINERAL:
Materiales inorgnicos que se incorporan al cemento o alconcreto, con el fin de mejorar sus propiedades.
PRINCIPALES ADICIONES:a) Puzolanas
b) Escoria de Alto Horno
c) Fillers
CEMENTOS PORTLAND ADICIONADOS:
CL INKER + YESO + ADICIN MINERAL
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Contribuyen en mejorar las propiedades del concretoendurecido, debido a sus propiedades puzolnicas,hidrulicas o ambas.
El uso de los materiales cementantes suplementarios en elconcreto viene creciendo desde la poca del 70, la mayorade estos materiales son subproductos de procesosindustriales.
C t Hid li
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Cementos HidrulicosAdicionados
Tipo IS Cemento porltand de alto horno
Tipo IP Cemento portland puzolnicoTipo P Cemento portland puzolnico
Tipo I(PM) Cemento portland modificado con puzolana
Tipo S Cemento de escoria o siderrgico
Tipo I(SM) Cemento portland modificado con escoria
ASTM C 595 (AASHTO M 240)
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Cemento Po rtland Puzoln ico Tipo IP:
Produc ido mediante mol ienda con junta de cl inker y puzolana
(15% - 40%).
Cemen to Port land Puzolnic o Modif ic ado
Tipo I(PM): Produ cido mediante mol ienda conjun ta de cl inker ypu zolana (con tenido de pu zolana: menor del 15%).
Cemen to Port land Puzolnic o Tipo P:
Para su us o en la cons trucc in c uando no se requieran al tos
valores de resistencia.
TIPOS DE CEMENTOS PORTLAND PUZOLNICOS (ASTM C 595)
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CEMENTOS PORTLAND DE ESCORIA (ASTM C 595)
Cemento Port land de Esco ria Tipo IS:
Producido mediante mo l ienda co njunta de cl inker y escor ia
(con tenido d e escor ia: 25% - 70%).
Cemento Port land d e Esco ria Modif icado Tipo I(SM):
Producido mediante mo l ienda co njunta de cl inker y escor ia
(con tenido de escoria < 25%).
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CEMENTO PORTLAND COMPUESTO TIPO Ico
(ASTM C 1157)
Cemento Port land obtenido por pu lver izac in con junta de
cl in ker Por t land , materias c al izas y/o inertes h asta un mxim o
de 30%.
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Tipo GU Uso general
Tipo HE Alta resistencia inicial
Tipo MS Moderada resistencia a los sulfatos
Tipo HS Alta resistencia a los sulfatos
Tipo MH Moderado calor de hidratacin
Tipo LH Bajo calor de hidratacin
Cementos Hidrulicos
ASTM C 1157
Aplicaciones
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Especificacindel cemento
Usogeneral
Moderado
calor dehidratacin
Alta
resisten
ciainicial
Bajo calor
de
hidratacin
Moderada
resistencia
a lossulfatos
Alta
resistencia
a lossulfatos
Resistencia
a la
reaccin
lcali-slice(RAS)
ASTM C 150
(AASHTO M 85)
Cementos
portland
I
II Opcin de
moderado
calor de
hidratacin
III IV II VOpcin de
bajo lcali
ASTM C 595
(AASHTO M 240)
Cementoshidrulicos
adicionados
IS
IP
I(PM)
I(SM)
S, P
IS(MH)
IP(MH)
I(PM)(MH)I(SM)(MH)
P(LH)
IS(MS)
IP(MS)
P(MS)
I(PM)(MS)
I(SM)(MS)
Opcin de
baja
reactividad
ASTM C 1157
Cementos
hidrulicos
GU MH HE LH MS HS Opcin R
Cementos especiales Tipo Aplicacin
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Cemento Blanco, ASTM C150
I, II, II, V Concreto blanco o colorido,mampostera, mortero, lechada,
revoque y estuco
Cemento blanco dealbailera, ASTM C 91
M, S, N Mortero blanco entre las unidadesde mampostera
Cementos de Albailera,ASTM C 91
M, S, N Mortero entre las unidades demampostera, revoque y estuco
Cementos mortero, ASTM C1329
M, S, N Mortero entre las unidades demampostera
Cementos plsticos, ASTM
C 1328
M, S Revoque y estuco
Cementos expansivos,ASTM C 845 E-1(K), E-1(M), E-1(S) Concreto de contraccincompensada
Cementos para pozos
petroleros, API 10
A, B, C, D, E, F, G, H Cementacin o selladura de pozos
Cementos repelentes al
agua
Mortero para baldosas y azulejos,
pintura y revestimiento final de estuco
Cementos especiales Tipo Aplicacin
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Cementos de fraguado
reguladoResistencia temprana y reparos
Cemento con adicionesfuncionales, ASTM C 595
(AASHTO M 240), ASTM C 1157
Construccin de concreto en general
que necesite de caractersticasespeciales, tales como reductor de
agua, inclusor de agua, control de
fraguado y propiedades aceleradas
Cemento molido finamente
(ultra fino)Selladura geotcnica
Cemento de aluminato decalcio
Reparacin, resistencia qumica,exposicin a altas temperaturas
Cemento de fosfato de
magnesioReparacin y resistencia qumica
Cemento de geopolmeroConstruccin general, reparo,
estabilizacin de desechos***
Cemento de etringita Estabilizacin de desechos***
Cemento hidrulico de
endurecimiento VH, MR, GC
Pavimentacin general donde sea
requirido desarrollo rpido deresistencia (aproximadamente 4 horas)
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Como elegir el tipo de cemento ?
1) Donde vamos a construir?
2) En que condicin de exposicinvamos a construir?
3) Que tipo de estructura y/o que
proceso constructivo vamos a usar?
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1) Donde vamos a construir?
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En clima clido :Cemento con bajo calor de hidratacin Menor a mayor
En clima fro :Cemento con alto calor de hidratacin Menor a mayor
V, IP,II,IPM,IMs,ICo,I
I, II,IPM,IMs,Ico,V
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2) En que condicin deexposicin vamos a construir?
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Ambiente marino :Cloruros + sulfatos Ms resistente a menos resistente
Suelo con sulfatos :Ms resistente a menos resistente
IP,V, IPM,II,IMs,Ico,I
V,IP,II,IPM,IMs,Ico,I
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3) Que tipo de estructura y/oque proceso constructivo
vamos a usar?
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Vaciados de gran volumen y poca rea de disipacin de calor :Ms favorable a menos favorable
Desencofrado rpido :Ms favorable a menos favorable
V,IP,II, IPM,IMs,Ico,I
I,IPM,IMs,ICo,IP,V
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Finura del Cemento
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Finura del Cemento
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Distribucin del Tamaode las Partculas
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Consistencia de la Pastade Cemento
Aguja de VicatASTM C 187
(AASHTO T 129)COVENIN 494
IRAM 1612
Nch151
NMXC0571997ONNCCE
NTC 110
NTE 0157
NTP 334.074
UNIT-NM 43
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Consistencia delMortero
ASTM C 230
ASTM C 1437 AASHTO M
152 COVENIN 0485
Nch 2257/1
NMX-C-144
NTC 111
NTP 334.057Mesa de Fluidez
Ti d
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Tiempo deFraguado
ASTM C 191
AASHTO T 131
COVENIN 0493
NCh152NMX-C-059-1997-ONNCCE
NTC 118
NTE 0158
NTP 334.006
IRAM 1619
UNIT-NM 65
Aguja de Vicat
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ASTM C 266
AASHTO T 154
NMX C 58-67
NTC 109
NTE 0159
NTP 334.056
Aguja de Gillmore
Tiempo de
Fraguado
Ti d F d
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Tiempo de Fraguado para
Cementos Portland
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Cubos de mortero
ASTM C 109
(AASHTO T 106)
Desarrollo de la Resistencia de
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Desarrollo de la Resistencia deCubos de Concreto
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Masa Especfica delCemento
Frasco de Le Chatelier (ASTM
C 188 or AASHTO T 133)
Picnmetrode Helio
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Masa Unitaria
La masa unitaria del cemento
vara entre
830 kg/m3 (52 lb/pie3)
y
1650 kg/m3 (103 lb/pie3)
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Transporte delCemento
E
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Envase y
Almacenamiento