CEMENTO

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Cemento y sus Propiedades

INDICE

El聽cemento聽es un聽conglomerante聽formado a partir de una mezcla de聽caliza聽y聽arcilla聽calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. El producto resultante de la molienda de estas rocas es llamada聽clinker聽y se convierte en cemento cuando se le agrega una peque帽a cantidad de聽yeso聽para que adquiera la propiedad de fraguar al a帽adirle agua y endurecerse posteriormente. Mezclado con agregados p茅treos (grava聽y聽arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y pl谩stica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia p茅trea, denominada聽hormig贸n聽(en Espa帽a, parte de Suram茅rica y el Caribe hispano) o聽concreto聽(en M茅xico, Centroam茅rica y parte de Sudam茅rica). Su uso est谩 muy generalizado en聽construcci贸n聽e聽ingenier铆a civil.

Historia

Desde la antig眉edad se emplearon pastas y morteros elaborados con聽arcilla聽o聽greda,聽yeso聽y聽cal聽para unir mampuestos en las edificaciones. El cemento se empez贸 a utilizar en la聽Antigua Grecia聽utilizando tobas volc谩nicas extra铆das de la isla de聽Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a. C. se empez贸 a utilizar en la聽Antigua Roma, un cemento natural, que ha resistido la inmersi贸n en agua marina por milenios, los cementos Portland no duran m谩s de los 60 a帽os en esas condiciones; formaban parte de su composici贸n cenizas volc谩nicas obtenidas en聽Pozzuoli, cerca del聽Vesubio. La b贸veda del聽Pante贸n聽es un ejemplo de ello. En el siglo XVIII John Smeaton construye la聽cimentaci贸n聽de un聽faro聽en el acantilado de Eddystone, en la costa聽Cornwall, empleando un mortero de cal calcinada. El siglo XIX,聽Joseph Aspdin聽y James Parker patentaron en 1824 el聽Portland Cement, denominado as铆 por su color gris verdoso oscuro similar a la聽piedra de Portland. Isaac Johnson, en 1845, obtiene el prototipo del cemento moderno, con una mezcla de caliza y arcilla calcinada a alta temperatura. En el siglo XX surge el auge de la industria del cemento, debido a los experimentos de los qu铆micos franceses聽Vicat聽y聽Le Chatelier聽y el alem谩n Micha茅lis, que logran cemento de calidad homog茅nea; la invenci贸n del聽horno rotatorio聽para calcinaci贸n y el molino tubular y los m茅todos de transportar hormig贸n聽fresco聽ideados por Juergen Heinrich Magens que patenta entre 1903 y 1907.

聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽Tipos de cemento

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Se pueden establecer dos tipos b谩sicos de cemento:

  1. de origen arcilloso: obtenidos a partir de聽arcilla聽y piedra聽caliza聽en proporci贸n 1 a 4 aproximadamente;
  2. de origen puzol谩nico: la聽puzolana聽del cemento puede ser de origen org谩nico o volc谩nico

elemento, diferentes por su composici贸n, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos.

Desde el punto de vista qu铆mico se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a trav茅s del cocido de calc谩reo, arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que se mezcla con聽agua聽se hidrata y solidifica progresivamente. Puesto que la composici贸n qu铆mica de los cementos es compleja, se utilizan terminolog铆as espec铆ficas para definir las composiciones.

El cemento portland

El poso de cemento m谩s utilizado como aglomerante para la preparaci贸n del聽hormig贸n聽es el cemento portland, producto que se obtiene por la pulverizaci贸n del聽clinker portland聽con la adici贸n de una o m谩s formas de聽yeso聽(sulfato de calcio). Se admite la adici贸n de otros productos siempre que su inclusi贸n no afecte las propiedades del cemento resultante. Todos los productos adicionales deben ser pulverizados conjuntamente con el clinker. Cuando el cemento portland es mezclado con el agua, se obtiene un producto de caracter铆sticas pl谩sticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un per铆odo de varias semanas hasta adquirir su聽resistencia caracter铆stica. El proceso de solidificaci贸n se debe a un proceso qu铆mico llamado聽hidrataci贸n mineral.

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calc谩reo o cal) se obtiene el聽cemento pl谩stico, que fragua m谩s r谩pidamente y es m谩s f谩cilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.

Normativa

La calidad del cemento portland deber谩 estar de acuerdo con la norma聽ASTM聽C 150. En Europa debe estar de acuerdo con la norma EN 197-1. En Espa帽a los cementos vienen regulados por la Instrucci贸n para recepci贸n de cementos RC-08, aprobada por el Real Decreto 956/2008 de 6 de junio.

Cementos portland especiales

Los聽cementos portland especiales聽son los cementos que se obtienen de la misma forma que el portland, pero que tienen caracter铆sticas diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los componentes que lo forman.

聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 聽 Portland f茅rrico

Imagen al microscopio del cemento portland f茅rrico.

El聽portland f茅rrico聽est谩 caracterizado por un聽m贸dulo de fundentes聽de 0,64. Esto significa que este cemento es muy rico en hierro. En efecto se obtiene introduciendo cenizas de pirita o minerales de hierro en polvo. Este tipo de composici贸n comporta por lo tanto, adem谩s de una mayor presencia de Fe2O3(贸xido ferroso), una menor presencia de 3CaOAl2O3聽cuya hidrataci贸n es la que desarrolla m谩s calor. Por este motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas c谩lidos. Los mejores cementos f茅rricos son los que tienen un聽m贸dulo calc谩reo聽bajo, en efecto estos contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, cuya hidrataci贸n produce la mayor cantidad de cal libre (Ca(OH)2). Puesto que la cal libre es el componente mayormente atacable por las聽aguas agresivas, estos cementos, conteniendo una menor cantidad, son m谩s resistentes a las aguas agresivas que el pl谩stico.

Cementos blancos

Contrariamente a los f茅rricos, los聽cementos blancos聽tienen un m贸dulo de fundentes muy alto, aproximadamente 10. Estos contienen por lo tanto un porcentaje baj铆simo de Fe2O3. EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da una tonalidad gris谩cea al Portland normal y un gris m谩s oscuro al cemento ferrico. La reducci贸n del Fe2O3聽es compensada con el agregado de聽fluorita聽(CaF2) y de聽criolita聽(Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricaci贸n en el horno para bajar la calidad del tipo de cemento que hoy en d铆a hay 4: que son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y tipo II 32,5; Tambi茅n llamado pavi) se le suele a帽adir una cantidad extra de caliza que se le llama clinkerita para rebajar el tipo, ya que normalmente el clinker molido con yeso ser铆a tipo I

Cementos de mezclas

Los聽cementos de mezclas聽se obtienen agregando al cemento Portland normal otros componentes como la聽puzolana. El agregado de estos componentes le da a estos cementos nuevas caracter铆sticas que lo diferencian del Portland normal.

Cemento puzol谩nico

Se denomina聽puzolana聽a una fina ceniza volc谩nica que se extiende principalmente en la regi贸n del Lazio y la Campania, su nombre deriva de la localidad de聽Pozzuoli, en las proximidades de聽N谩poles, en las faldas del聽Vesubio. Posteriormente se ha generalizado a las cenizas volc谩nicas en otros lugares. Ya聽Vitruvio聽describ铆a cuatro tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.

Mezclada con cal (en la relaci贸n de 2 a 1) se comporta como el cemento puzol谩nico, y permite la preparaci贸n de una buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua.

Esta propiedad permite el empleo innovador del hormig贸n, como ya hab铆an entendido los romanos: El antiguo puerto de聽Cosa (puerto)聽fue construido con puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua, probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluya en el agua de mar. Los tres muelles son visibles todav铆a, con la parte sumergida en buenas condiciones despu茅s de 2100 a帽os.

La puzolana es una piedra de naturaleza 谩cida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzol谩nico contiene aproximadamente:

  • 55-70聽% de clinker Portland
  • 30-45聽% de puzolana
  • 2-4聽% de yeso

Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca(OH)2), se tendr谩 una menor cantidad de esta 煤ltima. Pero justamente porque la cal es el componente que es atacado por las聽aguas agresivas, el cemento puzol谩nico ser谩 m谩s resistente al ataque de estas. Por otro lado, como el 3CaOAl2O3聽est谩 presente solamente en el componente constituido por el clinker Portland, la colada de cemento puzol谩nico desarrollar谩 un menor calor de reacci贸n durante el fraguado. Este cemento es por lo tanto adecuado para ser usado en climas particularmente calurosos o para coladas de grandes dimensiones.

Se usa principalmente en elementos en las que se necesita alta impermeabilidad y durabilidad.

Cemento sider煤rgico

La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carb贸n proveniente de las centrales termoel茅ctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el聽cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80聽%. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidr谩ulico. 脡sta debe sin embargo ser activada en un ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH. Es por este motivo que debe estar presente por lo menos un 20聽% de cemento Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento puzol谩nico, el cemento sider煤rgico tiene mala resistencia a las aguas agresivas y desarrolla m谩s calor durante el fraguado. Otra caracter铆stica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural, que lo rinde particularmente resistente a la corrosi贸n atmosf茅rica causada por los sulfatos.

Tiene alta resistencia qu铆mica, de 谩cidos y sulfatos, y una alta temperatura al fraguar.

Cemento de fraguado r谩pido

El聽cemento de聽fraguado聽r谩pido, tambi茅n conocido como 芦cemento romano 贸 prompt natural禄, se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de su preparaci贸n con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a una temperatura menor (1.000 a 1.200聽掳C).聽Es apropiado para trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es apropiado para grandes obras porque no se dispondr铆a del tiempo para efectuar una buena aplicaci贸n. Aunque se puede iniciar el fraguado controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el 谩cido c铆trico, pero aun as铆 si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a 20聽掳C). La ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos de iniciado del fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la compresi贸n (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran prestaci贸n para trabajos de intervenci贸n r谩pida y definitivos. Hay cementos r谩pidos que pasados 10 a帽os, obtienen una resistencia a la compresi贸n superior a la de algunos hormigones armados (mayor a 60 MPa).

Cemento aluminoso

El聽cemento aluminoso聽se produce principalmente a partir de la聽bauxita聽con impurezas de聽贸xido de hierro聽(Fe2O3),聽贸xido de titanio聽(TiO2) y聽贸xido de silicio聽(SiO2). Adicionalmente se agrega聽贸xido de calcio聽o bien聽carbonato de calcio. El cemento aluminoso tambi茅n recibe el nombre de 芦cemento fundido禄, pues la temperatura del horno alcanza hasta los 1.600聽掳C, con lo que se alcanza la fusi贸n de los componentes. El cemento fundido es colado en moldes para formar lingotes que ser谩n enfriados y finalmente molidos para obtener el producto final.

El cemento aluminoso tiene la siguiente composici贸n de 贸xidos:

  • 35-40聽% 贸xido de calcio
  • 40-50聽% 贸xido de aluminio
  • 5聽% 贸xido de silicio
  • 5-10聽% 贸xido de hierro
  • 1聽% 贸xido de titanio

Su composici贸n completa es:

  • 60-70聽% CaOAl2O3
  • 10-15聽% 2CaOSiO2
  • 4CaOAl2O3Fe2O3
  • 2CaOAl2O3SiO2

Por lo que se refiere al 贸xido de silicio, su presencia como impureza tiene que ser menor al 6聽%, porque el componente al que da origen, es decir el (2CaOAl2O3SiO2) tiene pocas propiedades hidr贸filas (poca absorci贸n de agua).

Reacciones de hidrataci贸n

CaOAl2O3+10H2O 鈫 CaOAl2O310H2O聽(cristales hexagonales)
2(CaOAl2O3)+11H2O 鈫 2CaOAl2O38H2O + Al(OH)3(cristales + gel)
2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O 鈫 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2(cristales + gel)

Mientras el cemento portland es un cemento de naturaleza b谩sica, gracias a la presencia de cal Ca(OH)2, el cemento aluminoso es de naturaleza sustancialmente neutra. La presencia del hidr贸xido de aluminio Al(OH)3, que en este caso se comporta como 谩cido, provocando la neutralizaci贸n de los dos componentes y dando como resultado un cemento neutro.

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