CEMENTOCEMENTO

El Cemento y sus Propiedades

El¬†cemento¬†es un¬†conglomerante¬†formado a partir de una mezcla de¬†caliza¬†y¬†arcilla¬†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¬†clinker¬†y se convierte en cemento cuando se le agrega una peque√Īa cantidad de¬†yeso¬†para que adquiera la propiedad de fraguar al a√Īadirle agua y endurecerse posteriormente.

Mezclado con agregados p√©treos (grava¬†y¬†arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y pl√°stica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia p√©trea, denominada¬†hormig√≥n¬†(en Espa√Īa, parte de Suram√©rica y el Caribe hispano) o¬†concreto¬†(en M√©xico, Centroam√©rica y parte de Sudam√©rica). Su uso est√° muy generalizado en¬†construcci√≥n¬†e¬†ingenier√≠a civil.

Historia

Desde la antig√ľedad se emplearon pastas y morteros elaborados con¬†arcilla¬†o¬†greda,¬†yeso¬†y¬†cal¬†para unir mampuestos en las edificaciones. El cemento se empez√≥ a utilizar en la¬†Antigua Grecia¬†utilizando tobas volc√°nicas extra√≠das de la isla de¬†Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a. C. se empez√≥ a utilizar en la¬†Antigua Roma, un cemento natural, que ha resistido la inmersi√≥n en agua marina por milenios, los cementos Portland no duran m√°s de los 60 a√Īos en esas condiciones; formaban parte de su composici√≥n cenizas volc√°nicas obtenidas en¬†Pozzuoli, cerca del¬†Vesubio. La b√≥veda del¬†Pante√≥n¬†es un ejemplo de ello.

En el siglo XVIII John Smeaton construye la cimentación de un faro en el acantilado de Eddystone, en la costa Cornwall, empleando un mortero de cal calcinada. El siglo XIX, Joseph Aspdin y James Parker patentaron en 1824 el Portland Cement, denominado así por su color gris verdoso oscuro similar a la 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 químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán Michaélis, que logran cemento de calidad homogénea; la invención del horno rotatorio para calcinación y el molino tubular y los métodos de transportar hormigón fresco ideados por Juergen Heinrich Magens que patenta entre 1903 y 1907.

 Tipos de cemento

Firestop mortar mixing.jpg

Se pueden establecer dos tipos b√°sicos de cemento:

  1. de origen arcilloso: obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza en proporción 1 a 4 aproximadamente;
  2. de origen puzolánico: la puzolana del cemento puede ser de origen orgánico o volcánico

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

Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que se mezcla con agua se hidrata y solidifica progresivamente. Puesto que la composición química de los cementos es compleja, se utilizan terminologías específicas para definir las composiciones.

El cemento portland

El poso de cemento más utilizado como aglomerante para la preparación del hormigón es el cemento portland, producto que se obtiene por la pulverización del clinker portland con la adición de una o más formas de yeso (sulfato de calcio). Se admite la adición de otros productos siempre que su inclusión 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 características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El proceso de solidificación se debe a un proceso químico llamado hidratación mineral.

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.

Normativa

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

Cementos portland especiales

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

                                                                                                                                                             Portland férrico

Imagen al microscopio del cemento portland férrico.

El portland férrico está caracterizado por un módulo de fundentes 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 composición comporta por lo tanto, además de una mayor presencia de Fe2O3(óxido ferroso), una menor presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la que desarrolla más calor.

Por este motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas cálidos. Los mejores cementos férricos son los que tienen un módulo calcáreo bajo, en efecto estos contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, cuya hidratación produce la mayor cantidad de cal libre (Ca(OH)2). Puesto que la cal libre es el componente mayormente atacable por las aguas agresivas, estos cementos, conteniendo una menor cantidad, son más resistentes a las aguas agresivas que el plástico.

Cementos blancos

Contrariamente a los férricos, los cementos blancos tienen un módulo de fundentes muy alto, aproximadamente 10. Estos contienen por lo tanto un porcentaje bajísimo de Fe2O3. EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da una tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más oscuro al cemento ferrico.

La reducci√≥n del Fe2O3¬†es compensada con el agregado de¬†fluorita¬†(CaF2) y de¬†criolita¬†(Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricaci√≥n en el horno para bajar la calidad del tipo de cemento que hoy en d√≠a hay 4: que son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y tipo II 32,5; Tambi√©n llamado pavi) se le suele a√Īadir una cantidad extra de caliza que se le llama clinkerita para rebajar el tipo, ya que normalmente el clinker molido con yeso ser√≠a tipo I

Cementos de mezclas

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

Cemento puzol√°nico

Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se extiende principalmente en la región del Lazio y la Campania, su nombre deriva de la localidad de Pozzuoli, en las proximidades de Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitruvio describía cuatro tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.

Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta como el cemento puzolánico, y permite la preparación de una buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua.

Esta propiedad permite el empleo innovador del hormig√≥n, como ya hab√≠an entendido los romanos: El antiguo puerto de¬†Cosa (puerto)¬†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√≠a, con la parte sumergida en buenas condiciones despu√©s de 2100 a√Īos.

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

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

Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca(OH)2), se tendr√° una menor cantidad de esta √ļltima. Pero justamente porque la cal es el componente que es atacado por las¬†aguas agresivas, el cemento puzol√°nico ser√° m√°s resistente al ataque de estas.

Por otro lado, como el 3CaOAl2O3 está presente solamente en el componente constituido por el clinker Portland, la colada de cemento puzolánico desarrollará un menor calor de reacción 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√ļrgico

La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón proveniente de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80 %. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidráulico.

√Čsta 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¬†% de cemento Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento puzol√°nico, el cemento sider√ļrgico tiene mala resistencia a las aguas agresivas y desarrolla m√°s calor durante el fraguado. Otra caracter√≠stica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural, que lo rinde particularmente resistente a la corrosi√≥n atmosf√©rica causada por los sulfatos.

Tiene alta resistencia química, de ácidos y sulfatos, y una alta temperatura al fraguar.

Cemento de fraguado r√°pido

El¬†cemento de¬†fraguado¬†r√°pido, tambi√©n conocido como ¬ęcemento romano √≥ prompt natural¬Ľ, se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de su preparaci√≥n con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a una temperatura menor (1.000 a 1.200¬†¬įC).¬†Es apropiado para trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es apropiado para grandes obras porque no se dispondr√≠a del tiempo para efectuar una buena aplicaci√≥n.

Aunque se puede iniciar el fraguado controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el √°cido c√≠trico, pero aun as√≠ si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a 20¬†¬įC). La ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos de iniciado del fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la compresi√≥n (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran prestaci√≥n para trabajos de intervenci√≥n r√°pida y definitivos.

Hay cementos r√°pidos que pasados 10 a√Īos, obtienen una resistencia a la compresi√≥n superior a la de algunos hormigones armados (mayor a 60 MPa).

Cemento aluminoso

El¬†cemento aluminoso¬†se produce principalmente a partir de la¬†bauxita¬†con impurezas de¬†√≥xido de hierro¬†(Fe2O3),¬†√≥xido de titanio¬†(TiO2) y¬†√≥xido de silicio¬†(SiO2). Adicionalmente se agrega¬†√≥xido de calcio¬†o bien¬†carbonato de calcio. El cemento aluminoso tambi√©n recibe el nombre de ¬ęcemento fundido¬Ľ, pues la temperatura del horno alcanza hasta los 1.600¬†¬įC, con lo que se alcanza la fusi√≥n de los componentes.

El cemento fundido es colado en moldes para formar lingotes que ser√°n enfriados y finalmente molidos para obtener el producto final.

El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos:

  • 35-40¬†% √≥xido de calcio
  • 40-50¬†% √≥xido de aluminio
  • 5¬†% √≥xido de silicio
  • 5-10¬†% √≥xido de hierro
  • 1¬†% √≥xido de titanio

Su composición completa es:

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

Por lo que se refiere al óxido de silicio, su presencia como impureza tiene que ser menor al 6 %, porque el componente al que da origen, es decir el (2CaOAl2O3SiO2) tiene pocas propiedades hidrófilas (poca absorción de agua).

Reacciones de hidratación

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

Mientras el cemento portland es un cemento de naturaleza básica, gracias a la presencia de cal Ca(OH)2, el cemento aluminoso es de naturaleza sustancialmente neutra. La presencia del hidróxido de aluminio Al(OH)3, que en este caso se comporta como ácido, provocando la neutralización de los dos componentes y dando como resultado un cemento neutro.

El cemento aluminoso debe utilizarse en climas fr√≠os, con temperaturas inferiores a los 30¬†¬įC. En efecto, si la temperatura fuera superior, la segunda reacci√≥n de hidrataci√≥n cambiar√≠a y se tendr√≠a la formaci√≥n de 3CaOAl2O36H2O (cristales c√ļbicos) y una mayor producci√≥n de Al(OH)3, lo que llevar√≠a a un aumento del volumen y podr√≠a causar fisuras.

Propiedades generales del cemento

  • Buena resistencia al ataque qu√≠mico.
  • Resistencia a temperaturas elevadas.¬†Refractario.
  • Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo.
  • Se ha de evitar el uso de armaduras. Con el tiempo aumenta la porosidad.
  • Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy exot√©rmico.

Est√° prohibido el uso de cemento aluminoso en hormig√≥n pretensado. La vida √ļtil de las estructuras de hormig√≥n armado es m√°s corta.

El fenómeno de conversión (aumento de la porosidad y caída de la resistencia) puede tardar en aparecer en condiciones de temperatura y humedad baja.

El proyectista debe considerar como valor de cálculo, no la resistencia máxima sino, el valor residual, después de la conversión, y no será mayor de 40 N/mm2.

Se recomienda relaciones A/C ‚ȧ 0,4, alta cantidad de cemento y aumentar los recubrimientos (debido al pH m√°s bajo).

Propiedades físicas del cemento de aluminato de calcio

  • Fraguado: Normal 2-3 horas. Similar al del cemento Portland.
  • Endurecimiento: muy r√°pido. En 6-7 horas tiene el 80¬†% de la resistencia.
  • Estabilidad de volumen: No expansivo.
  • Calor de hidrataci√≥n: muy exot√©rmico.Desprende r√°pidamente una gran cantidad de calor.
  • Muy resistente a sulfatos y muy buena durabilidad y resistente a compuestos √°cidos
  • Buenas propiedades refractarias, aguanta¬†1500-1600 ¬ļC¬†manteniendo resistencias y propiedades f√≠sicas.
  • Expuesto a condiciones de alta temperatura y alta humedad (Por ejemplo una zona costera) sufre una alteraci√≥n en su composici√≥n qu√≠mica:

Pierde 18 mol√©culas de agua y deja poros al evaporarse, en consecuencia pierde toda resistencia (Pasa de un cristal hexagonal a uno c√ļbico)

  • El curado ha de ser muy cuidado (dura un d√≠a)

Aplicaciones

El cemento de aluminato de calcio resulta muy adecuado para:

  • Hormig√≥n refractario.
  • Reparaciones r√°pidas de urgencia.
  • Basamentos y bancadas de car√°cter temporal.

Cuando su uso sea justificable, se puede utilizar en:

  • Obras y elementos prefabricados, de hormig√≥n en masa o hormig√≥n no estructural.
  • Determinados casos de cimentaciones de hormig√≥n en masa.
  • Hormig√≥n proyectado.

No resulta nada indicado para:

  • Hormig√≥n armado estructural.
  • Hormig√≥n en masa o armado de grandes vol√ļmenes.(muy exot√©rmico)

Es prohibido para:

  • Hormig√≥n pretensado en todos los casos.

Usos comunes del cemento de aluminato de calcio

  • Alcantarillados.
  • Zonas de vertidos industriales.
  • Depuradoras.
  • Terrenos sulfatados.
  • Ambientes marinos.
  • Como mortero de uni√≥n en construcciones refractarias.
  • Carreteras.

Proceso de fabricación

El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas principales:

  1. Extracción y molienda de la materia prima
  2. Homogeneización de la materia prima
  3. Producción del Clinker
  4. Molienda de cemento

La materia prima para la elaboraci√≥n del cemento (caliza,¬†arcilla,¬†arena,¬†mineral de hierro¬†y¬†yeso) se extrae de canteras o minas y, dependiendo de la dureza y ubicaci√≥n del material, se aplican ciertos sistemas de explotaci√≥n y equipos. Una vez extra√≠da la materia prima es reducida a tama√Īos que puedan ser procesados por los molinos de crudo.

La etapa de homogeneizaci√≥n puede ser por v√≠a h√ļmeda o por v√≠a seca, dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para mezclar los materiales. En el proceso h√ļmedo la mezcla de materia prima es bombeada a balsas de homogeneizaci√≥n y de all√≠ hasta los hornos en donde se produce el cl√≠nker a temperaturas superiores a los 1500¬†¬įC. En el proceso seco, la materia prima es homogeneizada en patios de materia prima con el uso de maquinarias especiales.

En este proceso el control qu√≠mico es m√°s eficiente y el consumo de energ√≠a es menor, ya que al no tener que eliminar el agua a√Īadida con el objeto de mezclar los materiales, los hornos son m√°s cortos y el cl√≠nker requiere menos tiempo sometido a las altas temperaturas.

El cl√≠nker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la etapa de homogeneizaci√≥n, es luego molido con peque√Īas cantidades de yeso para finalmente obtener cemento.

Reacción de las partículas de cemento con el agua
  1. Periodo inicial: las partículas con el agua se encuentran en estado de disolución, existiendo una intensa reacción exotérmica inicial. Dura aproximadamente diez minutos.
  2. Periodo durmiente: en las partículas se produce una película gelatinosa, la cual inhibe la hidratación del material durante una hora aproximadamente.
  3. Inicio de rigidez: al continuar la hidratación de las partículas de cemento, la película gelatinosa comienza a crecer, generando puntos de contacto entre las partículas, las cuales en conjunto inmovilizan la masa de cemento. También se le llama fraguado. Por lo tanto, el fraguado sería el aumento de la viscosidad de una mezcla de cemento con agua.
  4. Ganancia de resistencia: al continuar la hidrataci√≥n de las part√≠culas de cemento, y en presencia de cristales de CaOH2, la pel√≠cula gelatinosa (la cual est√° saturada en este punto) desarrolla unos filamentos tubulares llamados ¬ęagujas fusiformes¬Ľ, que al aumentar en n√ļmero generan una trama que aumenta la resistencia mec√°nica entre los granos de cemento ya hidratados.
  5. Fraguado y endurecimiento: el principio de fraguado es el tiempo de una pasta de cemento de dif√≠cil moldeado y de alta viscosidad. Luego la pasta se endurece y se transforma en un s√≥lido resistente que no puede ser deformado. El tiempo en el que alcanza este estado se llama ¬ęfinal de fraguado¬Ľ.
Almacenamiento

Si es cemento en sacos, deberá almacenarse sobre parrillas de madera o piso de tablas; no se apilará en hileras superpuestas de más de 14 sacos de altura para almacenamiento de 30 días, ni de más de 7 sacos de altura para almacenamientos hasta de 2 meses. Para evitar que el cemento envejezca indebidamente, después de llegar al área de las obras, el contratista deberá utilizarlo en la misma secuencia cronológica de su llegada.

No se utilizar√° bolsa alguna de cemento que tenga m√°s de dos meses de almacenamiento en el √°rea de las obras, salvo que nuevos ensayos demuestren que est√° en condiciones satisfactorias.

 

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