1. EL CEMENTO

Es un material con propiedades de adherencia y cohesión, de origen mineral y que está caracterizado por tener una gran dureza. Obtiene estas propiedades mediante reacciones de hidratación y la conserva posteriormente incluso debajo del agua. Si lo mezclamos con grava y áridos obtendremos el hormigón o concreto.

Según sus componentes diferenciamos dos grandes grupos:

De origen arcilloso: Si son obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza con una proporción 1 a 4 aproximadamente

De origen puzolánico: Obtenidos a partir de materiales silíceos de origen volcánico u orgánico. Constituyen la base de los primeros cementos hasta el siglo XIX.

Sin embargo se debe hacer hincapié en una clase de cemento en particular, el denominado “Cemento Portland”, que con unas características de dureza y resistencia mucho mayores ha hecho posible la edificación y construcción de infraestructuras nunca antes soñadas por el hombre.

Todo cemento tiene, hasta su conformado final, dos fases. La primera, donde se obtiene la mezcla mineralógica. Y la segunda, donde esta se hidrata, produciendo lo que conocemos comúnmente como cemento.

Esta base mineral en el cemento Portland es el clinker. Una mezcla mineral sometida a altas temperaturas que resulta fundamental en las posteriores propiedades del cemento Portland que lo hacen idóneo para tantas aplicaciones.

La hidratación de los cementos es la segunda gran fase en su conformado. Tras la hidratación, el fraguado termina por conferir al cemento la dureza y resistencia conocidas.

El proceso de fabricación de Cemento Portland es largo y complejo, ya que son muchos los distintos componentes del mismo y su tratamiento, obtención y procesamiento perfilan un complicado sistema.

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2. CEMENTO PORTLAND

El cemento Portland es un aluminio silicato de calcio, patentado por J. Aspdin en 1824, y denominado Portland por su semejanza a una piedra que abunda en esa localidad de Inglaterra. Se obtiene por calentamiento incipiente (aproximadamente 1300 °C) de una mezcla de minerales finamente molidos, formados por piedra caliza y arcilla. El calentamiento se efectúa en hornos giratorios levemente inclinados de 3 m de diámetro y 100 m de largo. El Material obtenido denominado “clinker” se muele finamente adicionándole de un 2% a 3% de yeso para evitar que fragüe instantáneamente.

Los compuestos del cemento así formado son:

En estos compuestos el magnesio puede reemplazar al calcio, existen también silicatos y ferroaluminatos de sodio y potasio. Para expresar la composición de un determinado cemento, generalmente se determinan en conjunto los óxidos que forman los compuestos antes mencionados.

La composición química media porcentual de los tipos de cemento es:

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En forma simplificada se puede decir que en los distintos tipos de cemento su composición varía entre:

55 – 65% de CaO + MgO

20 - 25% de SiO2 + SO3

8 - 15% de Al2O3 + Fe2O3

Se denominan componentes ácidos al SiO2 , SO3 , Fe2O3, y Al2O3 y básicos al CaO, MgO, K2O, Na2O; se denomina índice de hidraulicidad a la relación entre éstos componentes:

I= ( SiO2 + SO3 + Fe2O3+ Al2O3 )/ (CaO+ MgO+ K2O+ Na2O)

De acuerdo al valor de éste índice los cementos se clasifican en:

Cementos rápidos: 0.65 I 1.20 fraguan en un tiempo menor a 1 hora Cementos lentos: : 0.50 I 0.65 fraguan en un tiempo mayor a 8 horas.

3. PROPIEDADES DEL CEMENTO

3.1.Propiedades Físicas

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Las especificaciones de cemento presentan límites para las propiedades físicas y para

la composición química.

La comprensión de la importancia de las propiedades físicas es útil para la

interpretación de los resultados de los ensayos de los cementos. Los ensayos de las

propiedades físicas de los cementos se deben utilizar para la evaluación de las

propiedades del cemento y no del concreto. Las especificaciones del cemento limitan

las propiedades de acuerdo con el tipo de cemento. Durante la fabricación, se

monitorean continuamente la química y las siguientes propiedades del cemento:

a) Tamaño de las Partículas y Finura del Cemento: El cemento portland consiste en partículas angulares individuales, con una variedad de tamaños resultantes de la pulverización del clínker en el molino

Aproximadamente 95% de las partículas del cemento son menores que 45 micrómetros, con un promedio de partículas de 15 micrómetros. La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama “finura”. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento (partículas menores) aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Los efectos de la mayor finura sobre la resistencia de las pastas se manifiestan, principalmente, durante los primeros siete días.

b) Sanidad del Cemento: La sanidad se refiere a la habilidad de la pasta de cemento en mantener su volumen. La falta de sanidad o la expansión destructiva retardada se puede causar por la cantidad excesiva de cal libre o magnesia supercalcinadas. La mayoría de las especificaciones para cemento portland limitan el contenido de magnesia (periclasa) y la expansión máxima que se mide por el ensayo de expansión en autoclave (Norma Covenin 0491: Cemento Portland. Determinación de la expansión en autoclave).

c) Consistencia del Cemento: La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir.

Durante los ensayos de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, definidas como la penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat (COVENIN 494). Se mezclan los morteros para obtenerse una relación agua-cemento fija o proporcionar una fluidez dentro de un rango prescrito. La fluidez de los morteros se determina en una mesa de fluidez (mesa de caídas, mesa de sacudidas) como descrito en la norma COVENIN 0485.

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Ambos métodos, el de consistencia normal y el de fluidez, se usan para regular la cantidad de agua en las pastas y morteros, respectivamente, para que se los utilice en ensayos subsecuentes. Ambos permiten la comparación de ingredientes distintos con la misma penetrabilidad o fluidez.

d) Tiempo de Fraguado del Cemento: El objetivo del ensayo del tiempo de fraguado es la determinación del tiempo que pasa desde el momento de la adición del agua hasta cuando la pasta deja de tener fluidez y de ser plástica (llamado fraguado inicial) y del tiempo requerido para que la pasta adquiera un cierto grado de endurecimiento (llamado fraguado final).

Para determinar si un cemento se fragua de acuerdo con los límites especificados en las especificaciones de cemento, los ensayos se realizan con el uso del aparato de Vicat (Norma Covenin 0493)

e) Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido): El agarrotamiento prematuro (endurecimiento rápido) es el desarrollo temprano de la rigidez en las características de trabajabilidad o plasticidad de la pasta, mortero concreto de cemento. Esto incluye ambos fraguados, el falso y el rápido.

El falso fraguado se evidencia por la pérdida considerable de plasticidad, inmediatamente después del mezclado, sin ninguna evolución de calor. Desde el punto de vista de la colocación y manoseo, las tendencias de fraguado falso en el cemento no van a causar problemas, si se mezcla el concreto por un tiempo más largo que el usual o si el concreto es remezclado sin añadirle agua adicional antes de su transporte y colocación. El falso fraguado ocurre cuando una gran cantidad de sulfatos se deshidrata en el molino de cemento formando yeso. La causa del endurecimiento prematuro es la rápida cristalización o el entrelazamiento de las estructuras en forma de aguja con el yeso secundario. El mezclado complementario sin la adición del agua rompe estos cristales y restablece la trabajabilidad. La precipitación de etringita también puede contribuir para el falso fraguado.

El fraguado rápido se evidencia por una pérdida rápida de trabajabilidad en la pasta, mortero o concreto a una edad aún temprana. Esto es normalmente acompañado de una evolución considerable de calor, resultante principalmente de la rápida reacción de los aluminatos. Si la cantidad o forma adecuadas de sulfato de calcio no están disponibles para controlar la hidratación del aluminato de calcio, el endurecimiento es aparente. El fraguado rápido no se lo puede disipar, ni tampoco se puede recuperar la plasticidad por el mezclado complementario sin la adición de agua

f) Resistencia a Compresión del Concreto: La resistencia a compresión es aquélla obtenida por la prueba, por ejemplo, de cubos o cilindros de mortero de acuerdo con las norma Covenin 0484. Se debe preparar y curar los especímenes de acuerdo con la prescripción de la norma y con el uso de arena estándar.

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g) Calor de Hidratación del Concreto : El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de la composición química del cemento, siendo el C3A y el C3S los compuestos más importantes para la evolución de calor. Relación agua-cemento, finura del cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumentan el calor de hidratación. A pesar del cemento portland poder liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas. El calor de hidratación se ensaya según la norma COVENIN 0495.

h) Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego): La pérdida por calcinación (pérdida por ignición) del cemento portland se determina por el calentamiento de una muestra de cemento con masa conocida a una temperatura de 900°C a 1000°C, hasta que se obtenga la constancia de masa. Se determina entonces la pérdida de masa de la muestra. Normalmente, una gran pérdida por ignición es una indicación de prehidratación y carbonatación, las cuales pueden ser resultantes del almacenamiento prolongado o de manera incorrecta, o de la adulteración durante el transporte. El ensayo de pérdida por calcinación se realiza de acuerdo con la norma COVENIN 0109.

i) Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Concreto: El peso específico del cemento (densidad, peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria) se define como el peso de cemento por unidad de volumen de los sólidos o partículas, excluyéndose el aire entre las partículas. La masa específica se presenta en megagramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico (el valor numérico es el mismo en las dos unidades). El peso específico del cemento varía de 3.10 hasta 3.25, con promedio de 3.15 Mg/m3. El cemento portland de alto horno y el portland puzolánico tienen pesos específicos que varían de 2.90 hasta 3.15, con promedio de 3.05 Mg/m3. El peso específico del cemento no es una indicación de la calidad del cemento, su principal uso es en los cálculos de las proporciones de la mezcla.

Para el proporcionamiento de la mezcla, puede ser más útil expresar la densidad como densidad relativa, también llamada de gravedad específica o densidad absoluta. La densidad relativa es un número adimensional determinado por la división de la densidad del cemento por la densidad del agua a 4°C, la cual es 1.0 Mg/m3 (1.0 g/cm3, 1000 kg/m3 o 62.4 lb/pies3).

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j) Densidad Aparente del Concreto: La densidad aparente del cemento se define como el peso de las partículas de cemento más el aire entre las partículas por unidad devolumen. La densidad aparente del cemento puede variar considerablemente, dependiendo de como se manosea y almacena el cemento. Si el cemento portland está muy suelto, puede pesar sólo 830 kg/m3 (52 4 lb/pies3), mientras que cuando se consolida el cemento a través de vibración, el mismo cemento puede pesar tanto como 1650 kg/m3 (103 4 lb/pies3) (Toler 1963). Por esta razón, las buenas prácticas indican que se debe medir el cemento en masa y no en volumen.

3.2.Propiedades Químicas

La propiedad de liga de las pastas de cemento Pórtland se debe a la reacción química entre el cemento y el agua llamada hidratación. El cemento Portland no es un compuesto químico simple, sino que es una mezcla de muchos compuestos. Cuatro de ellos conforman el 90% o más de el peso del cemento Pórtland y son: el silicato tricálcico, el silicato dicálcico, el aluminato tricalcico y el aluminio ferrito tetracálcico. Además de estos componentes principales, algunos otros desempeñan papeles importantes en el proceso de hidratación.

Los tipos de cemento Pórtland contienen los mismos cuatro compuestos principales, pero en proporciones diferentes. Cuando el clinker (el producto del horno que se muele para fabricar el cemento Pórtland) se examina al microscopio, la mayoría de los compuestos individuales del cemento se pueden identificar y se puede determinar sus cantidades. Sin embargo, los granos mas pequeños evaden la detección visual.

El diámetro promedio de una partícula de cemento típica es de aproximadamente 10 micras, o una centésima de milímetro. Si todas las partículas de cemento fueran las promedio, el cemento Pórtland contendría aproximadamente 298,000 millones de granos por kilogramo, pero de hecho existen unos 15 billones de partículas debido al alto rango de tamaños de partícula. Las partículas en un kilogramo de cemento Pórtland tiene una área superficial aproximada de 400 metros cuadrados. Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen cerca del 75% del peso del cemento Pórtland, reaccionan con el agua para formar dos nuevos compuestos: el hidróxido de calcio y el hidrato de silicato de calcio. Este ultimo es con mucho el componente cementante mas importante en el concreto. Las propiedades ingenieriles del concreto, fraguado y endurecimiento,

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resistencia y estabilidad dimensional principalmente depende del gel del hidrato de silicato de calcio. Es la medula del concreto.

La composición química del silicato de calcio hidratado es en cierto modo variable, pero contiene cal (CaO) y sílice (Si02), en una proporción sobre el orden de 3 a 2. el área superficial del hidrato de silicato de calcio es de unos 3000 metros cuadrados por gramo. Las partículas son tan diminutas que solamente ser vistas en microscopio electrónico. En la pasta de cemento ya endurecida, estas partículas forman uniones enlazadas entre las otras fases cristalinas y los granos sobrantes de cemento sin hidratar; también se adhieren a los granos de arena y a piezas de agregado grueso, cementando todo el conjunto. La formación de esta estructura es la acción cementante de la pasta y es responsable del fraguado, del endurecimiento y del desarrollo de resistencia.

Cuando el concreto fragua, su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene poros llenos de agua y aire, mismos que no tienen resistencia alguna. La resistencia esta en la parte sólida de la pasta, en su mayoría en el hidrato de silicato de calcio y en las fases cristalinas.

Entre menos porosa sea la pasta de cemento, mucho mas resistente es el concreto. Por lo tanto, cuando se mezcle el concreto no se debe usar una cantidad mayor de agua que la absolutamente necesaria para fabricar un concreto plástico y trabajable. A un entonces, el agua empleada es usualmente mayor que la que se requiere para la completa hidratación del cemento. La relación mínima Agua – Cemento (en peso) para la hidratación total es aproximadamente de 0.22 a 0.25.

El conocimiento de la cantidad de calor liberado a medida de que el cemento se hidrato puede ser útil para planear la construcción. En invierno, el calor de hidratación ayudara a proteger el concreto contra el daño provocado por temperaturas de congelación. Sin embargo, el calor puede ser en estructuras masivas, tales como presas, porque puede producir esfuerzos indeseables al enfriarse luego de endurecer.

El cemento Pórtland tipo 1 un poco mas de la mitad de su calor total de hidratación en tres días. El cemento tipo 3, de alta resistencia temprana, libera aproximadamente el mismo porcentaje de su calor en mucho menos de tres días. El cemento tipo 2, un cemento de calor moderado, libera menos calor total que los otros y deben pasar mas de tres días para que se libere únicamente la mitad de ese calor. El uso de cemento tipo 4, cemento Pórtland de bajo calor de hidratación, se debe de tomar en consideración donde sea de importancia fundamental contar con un bajo calor de hidratación. Es importante conocer la velocidad de reacción entre el cemento y el agua porque la velocidad de terminada el tiempo de fraguado y de endurecimiento.

La reacción inicial debe ser suficientemente lenta para que conceda tiempo al transporte y colocación del concreto. Sin embargo, una vez que el concreto ha sido colocado y terminado, es deseable tener un endurecimiento rápido. El yeso, que es adicionado en el molino de cemento durante la molienda del clinker, actúa como

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regulador de la velocidad inicial de hidratación del cemento Pórtland. Otros factores que influyen en la velocidad de hidratación incluyen la finura de molienda, los aditivos, la cantidad de agua adicionada y la temperatura de los materiales en el momento del mezclado.

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