historia, definicion del cemento
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EL CEMENTO EN
LA
CONSTRUCCION
NICO
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EDIFICACIONES “I”
Historia
El cemento se inventó hace
aproximadamente 2000 años por
los romanos, de forma totalmente
fortuita, como ha ocurrido con
otros inventos. Al hacer fuego en
un agujero recubierto de piedras,
consiguieron deshidratar y
descarbonatar parcialmente las
piedras calcáreas o el yeso,
convirtiéndolas en polvo que se
deposito entre las piedras.
Al llover, dicho polvo unió las
piedras entre si. Los egipcios utilizaron un cemento fabricado con yeso impuro
calcinado, que sirvió para unir los bloques de piedra en la construcción de las
pirámides. El secreto de la durabilidad del cemento se perdió y en la Edad
Media tan solo fue posible fabricar cemento de mediana calidad. En 1756,
Smeaton descubrió que los mejores cementos se obtenían al mezclar caliza
con un 20-25% de materia arcillosa. En 1845, Johnson fijó las proporciones de
materias primas a utilizar, así como la temperatura de cocción, con lo que se
asistió al inicio de la industria de cemento Portland. Dicho nombre le fue dado
por su similitud con la piedra de Portland. Actualmente, hay tres procesos de
fabricación de cemento que utilizan hornos rotativos desarrollados en
Inglaterra en 1855: vía seca, vía seca conprecalentamiento / precalcinación y
vía húmeda.
Desde la antigüedad se emplearon pastas y morteros elaborados con arcilla, yeso o cal para
unir mampuestos en las edificaciones. Fue en la Antigua Grecia cuando empezaron a usarse
tobas volcánicas extraídas de la isla de
Santorini, los primeros cementos
naturales. En el siglo I a. C. se empezó a
utilizar el cemento natural en la Antigua
Roma, obtenido en Pozzuoli, cerca del
Vesubio. La bóveda del Panteón es un
ejemplo de ello. En el siglo XVIII John
Smeaton construye la cimentación de un
faro en el acantilado de Edystone, 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
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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 i ndustria 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 Hinrich
Magens que patenta entre 1903 y
1907.Aunque ciertos tipos de cementos hidráulicos eran conocidos desde la antigüedad, sólo han sido utilizados a partir de mediados del siglo XVIII. El término cemento Portland se empleó por primera vez en 1824 por el fabricante inglés de cemento Joseph Aspdin, debido a su
parecido con la piedra de Portland, que era muy utilizada para la construcción en Inglaterra. El primer cemento Portland moderno, hecho de piedra caliza y arcillas o pizarras, calentadas hasta convertirse en clínquer y después trituradas, fue producido en Gran Bretaña en 1845. En aquella época el cemento se fabricaba en hornos verticales, esparciendo las materias primas sobre capas de coque a las que se prendía fuego. Los primeros hornos rotatorios surgieron hacia 1880. El cemento Portland se emplea hoy en la mayoría de las estructuras de hormigón.
La mayor producción de cemento se produce, en la actualidad, en los países más poblados
y/o industrializados, aunque también es importante la industria cementera en los países
menos desarrollados. La antigua Unión Soviética, China, Japón y Estados Unidos son los
mayores productores, pero Alemania, Francia, Italia, España y Brasil son también
productores importantes.
Hasta el siglo XVIII puede decirse que los únicos conglomerantes utilizados en la construcción fueron
los yesos y las cales hidráulicas, sin embargo, es durante este siglo cuando se da un nuevo impulso en
el conocimiento y la tecnología del cemento.
John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra), al
reconstruir el faro de Eddystone en la costa de Cornish, se
encuentra con que los morteros formados por la adición de
una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran
los que mejores resultados daban frente a la acción de las
aguas marinas y que la presencia de arcillas en las cales, no
sólo no perjudicaba sino que por el contrario, las mejoraba,
haciendo que estas cales fraguasen bajo el agua y que una
vez endurecidas fuesen insolubles en ella.
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El padre del cemento tal y como lo conocemos hoy es Vicat, a él se debe el sistema de fabricación que
sigue empleando en la
actualidad y que propuso en
1817. Vicat fue un gran
investigador y divulgador de
sus trabajos; en 1818 publicó
su “Recherches
experimentales” y en 1828
“Mortiers et ciments calcaires”.
En estos trabajos marca la
pauta a seguir en la fabricación
del cemento por medio de
mezclas de calizas y arcillas
dosificadas en las proporciones
convenientes y molidas
conjuntamente. El sistema de
fabricación que empleó Vicat
fue el de vía húmeda y con él
marcó el inicio del actual
proceso de fabricación. Este gran científico empieza a estudiar en 1853 la acción destructiva del agua
de mar sobre el mortero y el hormigón.
En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds en Inglaterra, daba el nombre de cemento portland
y patentaba un material pulverulento que amasado con agua y con arena se endurecía formando un
conglomerante de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland. Probablemente, el material
patentado por Aspdin era una caliza hidráulica debido, entre otras cosas, a las bajas temperaturas de
cocción empleadas.
En 1838 Brunel emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin en el que se
había logrado una sinterización parcial por elección de una temperatura adecuada de cocción. Este
cemento se aplicó en la construcción de un túnel bajo el Támesis en Londres.
Puede decirse que el prototipo del cemento moderno fue producido a escala industrial por Isaac
Johnson, quien en 1845 logra conseguir temperaturas suficientemente altas para clinkerizar la mezcla
de arcilla y caliza empleada como materia prima.
El intenso desarrollo de la construcción
de ferrocarriles, puentes, puertos,
diques, etc., en la segunda mitad del
siglo XIX, da una importancia enorme al
cemento y las fábricas de éste,
especialmente las de cemento natural,
empiezan a extenderse por doquier.
Es a partir de 1900 cuando los cementos
portland se imponen en las obras de
ingeniería y cuando empieza un descenso
veloz del consumo de cementos
naturales.
Actualmente, el cemento ha llegado a
una gran perfección y es el material
industrializado de construcción de mayor
consumo, destinándose prácticamente
toda su producción, a la fabricación de
hormigones.
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Las investigaciones llevadas a cabo por Michaelis y Le Chatelier, en 1870 y 1880, fueron
fundamentales y muy meritorias para el desarrollo de este material. En ellas se apoya toda la
investigación actual que emplea técnicas de análisis muy sofisticadas y rápidas.
Joseph Aspdin
Joseph Aspdin (diciembre? de 1778 – 20 de marzo de 1855) fue un fabricante de cemento,
británico, que obtuvo la patente del cemento Portland el 21 de octubre de 1824.
Era el mayor de seis hijos de Thomas Aspdin (o Aspden), un albañil que vivía en Hunslet,
distrito de Leeds, Yorkshire. Se incorporó al negocio de
su padre y se casó con Maria Fotherby el 21
de mayo de 1811.1En 1817 instaló su propio
negocio en el centro de Leeds. Él debe haber
experimentado con la fabricación del
cemento durante los años siguientes, porque
el 21 de octubre de 1824 le concedieron la
Patente Británica BP 5022 titulada Una
Innovación en el Modo de Producir una
Piedra Artificial, la cual el designó con el
término "Cemento Portland".
Casi inmediatamente después de esto, en 1825,
en sociedad con un vecino de Leeds, Guillermo Beverley, él
instaló una planta de producción para este
producto en Kirkgate, Wakefield.
Beverley permanecía en Leeds, pero
Aspdin y su familia se trastearon a
Wakefield (a 9 millas). Obtuvo una
segunda patente, para un método de
fabricar cal, en 1825. La planta de
Kirkgate fue cerrada en 1838 después de
la compra forzada de tierras por la
Compañía Ferroviaria Manchester y
Leeds. Entonces Aspdin movió su equipo
a un segundo sitio cercano en Kirkgate.
Su hijo mayor, James, trabajaba como
contador en Leeds, y su hijo menor
William, se encargó de la planta. Sin
embrago, en 1841, Joseph entró sociedad con James, y colocó un aviso notificando que
William se había ido, y que la compañía no sería responsable de sus deudas. Puede
asumirse que antes d irse, William desarrolló sus modificaciones que condujeron hacia el
"moderno". En 1844 Joseph se retireó, transfiriendo su parte del negocio a James. James se
trasteó para un tercer sitio en Ings Road en 1848, y esta planta continuó en operación hasta
1900. Joseph Aspdin murió el 20 de marzo de 1855, en su casa en Wakefield
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Se denomina cemento a un
conglomerante hidráulico que,
mezclado con agregados pétreos (árido
grueso o grava, más árido fino o
arena) y agua, crea una mezcla
uniforme, maleable y plástica que
fragua y se endurece al reaccionar con
el agua, adquiriendo consistencia
pétrea, denominado hormigón (en
España y el caribe hispano) o
concreto (en Sudamérica). Su uso está
muy generalizado en construcción e
ingeniería civil, su principal función la
de aglutinante.
Cemento, sustancia de polvo fino hecha de argamasa de yeso capaz de formar una pasta
blanda al mezclarse con agua y que se endurece espontáneamente en contacto con el aire.
Tiene diversas aplicaciones, como la obtención de hormigón por la unión de arena y grava
con cemento Portland (es el más usual), para pegar superficies de distintos materiales o
para revestimientos de superficies a fin de protegerlas de la acción de sustancias químicas.
El cemento tiene diferentes composiciones para usos diversos. Puede recibir el nombre del
componente principal, como el cemento calcáreo, que contiene óxido de silicio, o como el
cemento epoxiaco, que contiene resinas epoxídicas; o de su principal característica, como el
cemento hidráulico o el cemento rápido. Los cementos utilizados en la construcción se
denominan en algunas ocasiones por su origen, como el cemento romano, o por su parecido
con otros materiales, como el caso del cemento Portland, que tiene cierta semejanza con la
piedra de Portland, utilizada en Gran Bretaña para la construcción. Los cementos que
resisten altas temperaturas se llaman cementos refractantes.
El cemento se fragua o
endurece por evaporación del
líquido plastificante, como el
agua, por transformación
química interna, por hidratación
o por el crecimiento de cristales
entrelazados. Otros tipos de
cemento se endurecen al
reaccionar con el oxígeno y el
dióxido de carbono de la
atmósfera.
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Tipos de cemento
Se pueden establecer dos tipos básicos de
cementos:
1. de origen arcilloso: obtenidos a partir de
arcilla y piedra caliza en proporción 1 a 4
aproximadamente;
2. de origen porcelanico: la porcelana del
cemento puede ser de origen orgánico o
volcánico.
Existen diversos tipos de cemento, 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 tipo de cemento más utilizado como
aglomerante para la preparación del hormigón
o concreto es el cemento portland.
Producto que se obtiene por la pulverizacion
del clinker portland con la adición de una o
más formas de 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.
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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 deberá estar de
acuerdo con la norma ASTM C 150. En Europa
debe estar de acuerdo con la norma EN 197-1.
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
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, 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 calcareo 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.
Cementos blancos
Contrariamente a los cementos 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
reducción del Fe2O3 es compensada con
el agregado de fluorita (CaF2) y de
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criolita (Na3AlF6), necesarios en la fase de
fabricación en el horno.para bajar la calidad del
tipo de cemento que hoy en día hay 4: que son
tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y tipo II
32,5;también llamado pavi) se le suele añadir una
adición extra de caliza que se le llama clinkerita
para rebajar el tipo, ya que normalmente el
clinker molido con yeso sería tipo I
El cemento portland es un conglomerante o
cemento hidráulico que cuando se mezcla con
áridos, agua y fibras de acero discontínuas y
discretas tiene la propiedad de conformar una
masa pétrea resistente y duradera denominada
hormigón. Es el más usual en la construcción
utilizado como aglomerante para la preparación
del hormigón o concreto. Como cemento
hidráulico tiene la propiedad de fraguar y
endurecer en presencia de agua, al reaccionar
químicamente con ella para formar un material de
buenas propiedades aglutinantes.
Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El nombre se debe a
la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, en el
condado de Dorset.
Fabricación del cemento de portland
La fabricación del cemento de portland
se da en tres fases:
preparación de la mezcla de las
materias primas,
producción del clinker y
preparación del cemento.
Las materias primas para la producción
del portland son minerales que
contienen:
óxido de calcio (44%),
óxido de silicio (14,5%),
óxido de aluminio (3,5%),
óxido de hierro (3%)
óxido de manganeso (1,6%).
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La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar
próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin
embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o calcáreo, o bien minerales de
hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.
Esquema de un horno.
La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln)
dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura
aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400 °C, que hace que los minerales se
combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.
En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo) se disocia en óxido de
calcio y dióxido de carbono (CO2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio
reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si). Se forma también
una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca3Al) y ferroaluminato tetracálcico
(Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser conservado
durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no
entre en contacto con el agua.1
La energía necesaria para producir el clinker es de unos 1.700 julios por gramo, pero a
causa de las pérdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta
una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de
gran cantidad de
dióxido de carbono
en la atmósfera, un
gas de efecto
invernadero.
Para mejorar las
características del
producto final al
clinker se agrega
aproximadamente el
2% de yeso y la
mezcla es molida
finamente. El polvo
obtenido es el
cemento preparado
para su uso.
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El cemento obtenido tiene una composición del tipo:
64% óxido de calcio
21% óxido de silicio
5,5% óxido de aluminio
4,5% óxido de hierro
2,4% óxido de magnesio
1,6% sulfatos
1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
Cuando el cemento portland es
mezclado con agua, se obtiene
un producto de características
plásticas con propiedades
adherentes que solidifica en
algunas horas después y
endurece progresivamente
durante un período de varias
semanas hasta adquirir su
resistencia característica. El
endurecimiento inicial es
producido por la reacción del
agua, yeso y aluminato
tricálcico, formando una
estructura cristalina de calcio-
aluminio-hidrato, estringita y
monosulfato.
El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la
reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa
llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y
fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el
gel de silicio (SiO2). Las tres reacciones generan calor.
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.
La calidad del cemento de portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.
En el 2004, los principales productores mundiales de cemento de Pórtland fueron Lafarge
en Francia, Holcim en Suiza y Cemex en México. Algunos productores de cemento fueron
multados por comportamiento monopólico.
Reacciones de formación del clinker
Las reacciones de la formación del clinker, por fases de temperatura, son:
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de 1.000 a 1.100 °C
3CaO+Al2O3 → 3CaOAl2O3
2CaO+SiO2 → 2CaOSiO2
CaO+Fe2O3 → CaOFe2O3
de 1.100 a 1.200 °C
CaOFe2O3+3CaOAl2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3
de 1.250 a 1.480 °C
2CaOSiO2+CaO → 3CaOSiO2
La composición final será de:
51% 3CaOSiO2
26% 2CaOSiO
11% 3CaOAl2O3
12% 4CaOAl2O3Fe2O3
Reacciones de hidratación
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:
2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(0H)2
2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2
2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O
3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(0H)2 → 4CaOAl2O313H2O
4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de
3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente
2CaOSiO2.
Función del yeso
El yeso, o aljez, es generalmente agregado al clinker para regular el fraguado. Su presencia
hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el
aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada 'ettringita'. 3CaOAl2O3 + 3(CaSO42H2O) + 26H2O → 3CaOAl2O33CaSO432H2O
Módulos
Los módulos son valores característicos de cada cemento o cal, que permiten conocer en
qué relación se encuentran, porcentualmente, los diversos componentes en el producto
final. Para el cemento Pórtland se tiene:
Módulo hidráulico
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Módulo de silicatos
Módulo silícico
Módulo de alúmica
El proceso explicado gráficamente
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Proceso de fabricación del cemento portland.
Cementos portland especiales
Los cementos portland especiales son los que se obtienen de la mismo modo que el
cemento portland normal, pero tienen características diferentes a causa de variaciones en el
porcentaje de los componentes que lo conforman.
Tipos de cementos portland
Cemento portland normal (CPN), o común, sin aditivos, es el más empleado en
construcción.
Cemento portland blanco
(PB), compuesto por materias
primas pobres en hierro, que
le dan ese color blanquecino
grisáceo. Se emplea para
estucos, terrazos, etc.
Cemento portland de bajo
calor de hidratación (CBC),
produce durante el fraguado
una baja temperatura de
hidratación; se obtiene
mediante la alteración de los
componentes químicos del
cemento portland común.
Cemento portland de elevada
resistencia inicial (CER),
posee un mayor contenido de
silicato tricálcico que le permite un fraguado más rápido y mayor resistencia. Se
emplea en muros de contención y obras hidráulicas.
Cemento portland resistente a los sulfatos (CPS), tiene bajo contenido en aluminato
tricálcico, que le permite una mayor resistencia a la acción de sulfatos contenidos en
el agua o en el terreno.
Cemento portland con aire ocluido, tiene un aditivo especial que produce un efecto
aireante en el material.
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.
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Cemento puzolánico
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
Vitrubio 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 hormigón, como ya habían entendido los
romanos: El antiguo puerto de Cosa 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 todavía, con la
parte sumergida en buenas condiciones después de 2100 años.
La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede
obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico 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 tendrá una menor cantidad de
esta última. Pero justamente porque la cal es el componente que es atacado por las aguas
agresivas, el cemento puzolánico será más resistente al ataque de éstas. 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 permeabilidad y durabilidad.
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Cemento siderúrgico
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. Esta 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 puzolanico, el cemento siderurgico también tiene
buena resistencia a las aguas agresivas y desarrolla menos calor durante el fraguado. Otra
característica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural, que lo rinde
particularmente resistente a la corrosión atmosférica causada por los sulfatos.
Tiene alta resistencia química, de ácidos y sulfatos, y una alta temperatura al fraguar
Cemento de fraguado rápido
El cemento de fraguado
rápido, también conocido
como "cemento romano ó
prompt natural", se
caracteriza por iniciar el
fraguado a los pocos
minutos de su preparación
con agua. Se produce en
forma similar al cemento
Portland, pero con el
horno a una temperatura
menor (1.000 a
1.200 °C).1 Es apropiado
para trabajos menores, de
fijaciones y reparaciones,
no es apropiado para
grandes obras porque no
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se dispondría del tiempo para efectuar una buena colada. Aunque se puede iniciar el
fraguado controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el ácido cítrico, pero aun
así si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a 20 °C). La ventaja es que al
pasar aproximadamente 180 minutos de inciado del fraguado, se consigue una resistencia
muy alta a la compresión (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran prestación para
trabajos de intervención rápida y definitivos. Hay cementos rápidos que pasados 10 años,
obtienen una resistencia a la compresión superior a la de algunos hormigones armados
(mayor a 60 MPa).
Cemento aluminoso
Artículos principales: cemento aluminoso y aluminosis
El cemento aluminoso se produce a partir principalmente de la bauxita con impurezas de
óxido de hierro (Fe2O3), óxido de
titanio (TiO2) y óxido de silicio
(SiO2). Adicionalmente se agrega
calcáreo o bien carbonato de
calcio. El cemento aluminoso,
también llamado «cemento
fundido», por lo que la
temperatura del horno alcanza
hasta los 1.600 °C y se alcanza la
fusión de los componentes. El
cemento fundido es colado en
moldes para formar lingotes que
serán enfriados y finalmente
molidos para obtener el producto
final.
El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos:
35-40% óxido de calcio
40-50% óxido de aluminio
5% óxido de silicio
5-10% óxido de hierro
1% óxido de titanio
Por lo que se refiere a sus reales componentes se tiene:
60-70% CaOAl2O3
10-15% 2CaOSiO2
4CaOAl2O3Fe2O3
2CaOAl2O3SiO2
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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 con
temperaturas inferiores a los 30 °C, por lo tanto
en climas fríos. En efecto, si la temperatura fuera superior la segunda reacción de
hidratación cambiaría y se tendría la formación de 3CaOAl2O36H2O (cristales cúbicos) y
una mayor producción de Al(OH)3, lo que llevaría a un aumento del volumen y podría
causar fisuras.
Proceso de fabricación del cemento Portland.
Propiedades generales del cemento de aluminato de calcio
Buena resistencia al ataque químico.
Resistencia a temperaturas elevada. Refractario.
Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo. Conversión interna.
Se ha de evitar el uso de armaduras. Con el tiempo aumenta la porosidad.
Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy exotérmico.
Está prohibido el uso de cemento aluminoso en hormigón pretensado. La vida útil de las
estructuras de hormigón armado es más corta.
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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 ≤
0,4, alta cantidad de cemento y
aumentar los recubrimientos
(debido al pH más bajo).
Propiedades físicas del cemento de aluminato de calcio
Fraguado: Normal 2-3 horas.
Endurecimiento: muy rápido. En 6-7 horas tiene el 80% de la resistencia.
Estabilidad de volumen: No expansivo.
Calor de hidratación: muy exotérmico.
Aplicaciones
El cemento de aluminato de
calcio resulta muy adecuado
para:
Hormigón refractario.
Reparaciones rápidas de
urgencia.
Basamentos y bancadas
de carácter temporal.
Cuando su uso sea justificable,
se puede utilizar en:
Obras y elementos
prefabricados, de
hormigón en masa o
hormigón no estructural.
Determinados casos de cimentaciones de hormigón en masa.
Hormigón proyectado.
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No resulta nada indicado para:
Hormigón armado
estructural.
Hormigón en masa o
armado de grandes
volúmenes.(muy
exotérmico)
Es prohibido para:
Hormigón 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 unión en construcciones refractarias
Proceso de fabricación
Existe una gran variedad de cementos según la materia prima base y los procesos utilizados
para producirlo, que se clasifican en
procesos de vía seca y procesos de vía
húmeda.
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 elaboración
del cemento (caliza, arcilla, arena,
mineral de hierro y yeso) se extrae de
canteras o minas y, dependiendo de la
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dureza y ubicación del material, se aplican ciertos sistemas de explotación y equipos. Una
vez extraída la materia prima es reducida a tamaños que puedan ser procesados por los
molinos de crudo.
La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o por vía seca, dependiendo de si
se usan corrientes de aire o agua para mezclar los materiales. En el proceso húmedo la
mezcla de materia prima es bombeada a balsas de homogeneización y de allí hasta los
hornos en donde se produce el clínker a temperaturas superiores a los 1500 °C. 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 químico es más eficiente y el consumo
de energía es menor, ya que al no tener que eliminar el agua añadida con el objeto de
mezclar los materiales, los hornos son más cortos y el clínker requiere menos tiempo
sometido a las altas temperaturas.
El clínker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la etapa de
homogeneización, es luego molido con pequeñas 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
cuál 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 hidratación de las partículas de cemento, y
en presencia de cristales de CaOH2, la película gelatinosa (la cuál está saturada en
este punto)desarrolla unos filamentos tubulares llados «agujas fusiformes», las
cuales al aumentar en número, generan una trama que traspasa resistencia mecánica
entre los granos de cemento ya hidratados.
5. Fraguado y endurecimiento: el principio de fraguado es el tiempo de una pasta de
cemento de difícil moldeado y de alta viscosidad. Luego la pasta se endurece y se
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transforma en un sólido resistente que no puede ser deformado. El tiempo en el que
alcanza este estado se llama «final de fraguado».
Almacenamiento del cemento
El cemento es una sustancia particularmente sensible a la acción del agua y de la humedad,
por lo tanto para salvaguardar sus propiedades, se deben tener algunas precauciones muy
importantes, entre otras: Inmediatamente después de que el cemento se reciba en el área de
las obras si es cemento a granel, deberá almacenarse en depósitos secos, diseñados a prueba
de agua, adecuadamente ventilados y con instalaciones apropiadas para evitar la absorción
de humedad.
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 utilizará bolsa
alguna de cemento que tenga más de dos meses de almacenamiento en el área de las obras,
salvo que nuevos ensayos demuestren que está en condiciones satisfactorias.