Cemento

Química AplicadaCarmen CoronelGabriela Robles

CEMENTOS

Definición

Es una mezcla de cal hidráulica con arcilla en una proporción mayor al 22%.

Se caracteriza porque fragua rápida-mente y por ser muy resistente.

CEMENTO

DefiniciónDefinición

Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos y agua, crea una mezcla uniforme, manejable y plástica capaz de fraguar y endurecer al reaccionar con el agua y adquiriendo por ello consistencia pétrea, el hormigón o concreto. Su uso está muy generalizado, siendo su principal función la de aglutinante.

CEMENTO

Los cementos pueden dividirse en naturales o artificiales.

Los cementos naturales proceden de la calcinación de mezclas naturales de calizas y arcillas y posterior molienda del producto resultante.

Entre los cementos naturales tenemos el cemento romano y el cemento portland natural.

CEMENTO

José Aspdin obtuvo por calcinación de una mezcla de material calcáreo y arcilloso un producto que lo patentó como un nuevo aglomerante. Este material al incorporarle agua daba lugar a un producto que recordaba al color de la piedra de la piedra de la isla de Portland. De ahí el nombre de cemento portland.

CEMENTO

Se obtiene por calcinación de una mezcla perfectamente molida y correctamente dosificada de material calcáreo (~75%) y arcilloso (~25%) que se pulveriza y mezcla con 3% de yeso para retardar el tiempo de fraguado.

CEMENTO PORTLAND ARTIFICIAL

Químicamente está constituido

principalmente por silicatos y

aluminatos de calcio con otros

constituyentes.


Los componentes principales deben estar comprendidos dentro de los siguientes límites:

CaO Óxido de calcio………………. 60 - 67%

SiO2 Dióxido de silicio……………. 17 - 25%

Al2O3 Óxido de aluminio………….. 3 - 8%

Fe2O3 Óxido férrico…………………… 0,5 - 6%

MgO Óxido de magnesio………… 0,1 - 5%

SO3 Trióxido de azufre………….. 1 - 3%

Álcalis……………………………… 0,3 - 1%


Calizas: principalm. CaCO3, impurificado por SiO2

y Al2O3, MgO, etc.

Creta: caliza blanda de origen orgánico; existen margas (piedras o rocas de cementos) en las cuales la caliza y la arcilla se encuentran en las prop. del 75 y 25%. Carbonato de calcio proveniente de sub-productos de la industria.

MATERIAS PRIMAS

Fuente de óxido de calcio

Arcillas: constituidos por silicatos de

aluminio hidratados (2SiO2.Al2O3.2H2O)

impurificado con óxidos de hierro, arena, etc.

Esquistos: son arcillas que después de su depósito fueron sometidos a grandes presiones; se caracterizan por su apreciable dureza.

MATERIAS PRIMAS

Materiales arcillosos

Arcilla del período cuaternario (400.000años)

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Clay-ss-2005.jpg

Escoria de los altos hornos: es un producto que en la industria proviene de la reacción fundente con la ganga1 del mineral.

Pizarras: provienen de esquistos, modificados por la acción del calor y que han alcanzado mayor densidad.

MATERIAS PRIMAS

Materiales arcillosos

1Materia que acompaña a los minerales y que se separa de ellos como inútil.

Extracción de las materias primas Preparación de la mezcla:

Calcinación

FABRICACIÓN

El proceso de fabricación consiste en:

- Vía húmeda- Vía seca

Esquema general vía seca

Caliza

Trituración

Secado

Arcilla

Trituración

Secado

Dosificador

Molinos

Silos de mezcla

Esquema general vía seca

Horno rotativo

Clinker

Molinos

CEMENTO PORTLAND

Combustible

Yeso

Esquema general vía húmeda

Caliza

Trituración

Arcilla

Desleidor

Agua

Dosificador

Molinos

Silos de mezcla

Esquema general vía húmeda

Horno rotativo

Clinker

Molinos

CEMENTO PORTLAND

Combustible

Yeso

Extracción de las materias primas

FABRICACIÓN

Explosión con dinamita en la cantera

Extracción con máquinas excavadoras

Envío a trituradoras

La preparación de la mezcla de caliza y arcilla debe ser muy íntima y uniforme.

FABRICACIÓN

Preparación de la mezclaPreparación de la mezcla

FABRICACIÓN

Vía seca

Se utiliza cuando la materia prima es muy dura y está exenta de arena. Apropiadas para caliza, mezcla de caliza y pizarras o esquistos. Requiere menor consumo de combustible para la calcinación. Dosificación no es tan perfecta como en la húmeda.

FABRICACIÓN

Vía seca

La materia prima se somete a un secado que se efectúa en contracorriente con aire caliente. Pasa a los dosificadores. Se muele en los molinos a bolas. Pasa luego a los silos de mezcla donde se efectúa las correcciones de ser necesario. Es necesario humedecer la mezcla antes de penetrar en el horno porque sino el tiro de la chimenea arrastraría parte de ella.

FABRICACIÓN

Vía húmeda

Se emplea para materiales blandos. Tiene la ventaja de suministrar mezclas homogéneas y cementos de calidad constantes. La operación se lleva a cabo en los desleidores .

FABRICACIÓN

Vía húmeda

Los desleidores son recipientes horizontales provistos de agitadores donde sedimenta la arena y las piedras que la acompañan mientras que la pasta que contiene alrededor de un 50% de agua fluye por unos vertederos que posee una malla metálica.

FABRICACIÓN

Vía húmeda

Se procede luego a la molienda. Se envía a los removedores de barros.

Los removedores de barros son depósitos con agitadores por los que se inyecta aire comprimido para mantener la mezcla uniforme, de esta manera se impide que el calcáreo y la arcilla sedimenten en forma desigual

FABRICACIÓN

CalcinaciónCalcinación

La mezcla finamente subdividida se somete a calcinación en los hornos rotatorios.

Los hornos rotatorios tienen entre 50 y 170 m de longitud y un diámetro de alrededor de 3 m, revestidos interiormente de ladrillos refractarios, e inclinado con una pendiente aproximadamente de un 4%; la velocidad de giro del horno es de aproximadamente de una vuelta por minuto

Gases de combustión

Mezcla calcárea arcillosa

Horno rotatorio

Combustible

CLINKER Enfriador de clinker

Aire

Esquema simplificado de horno

FABRICACIÓN

FABRICACIÓN

FABRICACIÓN

CalcinaciónCalcinación

El combustible utilizado en los hornos

es gas natural, fuel oil o carbón en

polvo. La alimentación se efectúa por

la parte inferior del horno.

FABRICACIÓN

Calcinación: transformaciones químicasCalcinación: transformaciones químicas

A 100-105ºC se produce la deshidratación del agua higroscópica de la mezcla. ~400ºC se descompone el MgCO3

MgCO3 MgO + CO2

~500ºC se elimina el agua de constitución de las arcillas.

FABRICACIÓN

Calcinación: transformaciones químicasCalcinación: transformaciones químicas

A 900ºC descomposición de CaCO3

CaCO3 CaO + CO2

Formación de silicato dicálcico.

Arriba de los 1000ºC se produce silicato tricálcico apareciendo la fase ferrítica, disminuye el CaO no combinado al aumentar la temp. hasta alcanzar 1450ºC; aparición de los aluminatos

FABRICACIÓN

El material que sale de la parte inferior del horno se denomina clinker. Su formación se produce en 2 horas aproximadamente.

El clinker se presenta en forma redondeada, normalmente de color gris oscuro, de consistencia pétrea y de tamaño variado. Se enfría por diversos sistemas.

FABRICACIÓN

El clinker una vez frío se muele en molinos tubulares junto con 3% de yeso para retardar el tiempo de fraguado.

FABRICACIÓN

Una vez molido el cemento portland se transporta a los silos de almacenamiento y luego se procede a su envase.

Representaciones químicas

Rankin y Wright propusieron las sig. representaciones: CaO -------- C Fe2O3 -------- F

SiO2 -------- S MgO -------- M

Al2O3 -------- A

Nomenclatura Fórmula Representación

Silicato tricálcico o Alita SiO2.3CaO SC3

Silicato dicálcico o Belita SiO2.2CaO SC2

Aluminato tricálcico o Celita Al2O3.3CaO AC3

Aluminioferritotetracálcico o Felita Al2O3.Fe2O3.4CaO AFC4

Posee gran velocidad de hidratación. Gran calor de hidratación Le confiere al cemento portland alta resistencia inicial la que aumenta muy lentamente después del primer mes. Se usa en los cementos de endurecimiento rápido y de alta resistencia inicial, debiéndose limitar su contenido en los cementos para obras de grandes masas de hormigón.

Silicato tricálcico

Características de los compuestos químicos

Posee pequeña velocidad de hidratación.Calor de hidratación menor que el tricálcico.Poca resistencia hasta los 7 días, después de un mes aumenta rápidamente, Después del año no hay casi diferencia de resistencia entre los dos silicatos.

Silicato dicálcico


Posee velocidad de hidratación muy grande, casi instantánea. Elevado calor de hidratación Confiere alguna resistencia dentro de las 24 hs. Resistencia química muy débil en contacto con los sulfatos. Al clinker se adiciona yeso (sulfato) para

disminuir la rápida reacción del AC3 con el agua,

para regular así el tiempo de fraguado.

Aluminato tricálcico


Posee gran velocidad de hidratación. Calor de hidratación relativamente pequeño. Resistencia pequeña. Alta estabilidad química frente a las aguas selenitosas y al agua de mar.

Aluminio-ferrito-tetracálcico


Teniendo en cuenta que las propiedades de cada uno de los componentes indicados son diferentes, entonces las cantidades relativas de cada uno de los componentes determinará la característica del cemento.


De composición ligeramente diferente al normal y cuyo molido ha sido más fino. Fragua lentamente.

Elevada resistencia inicial (> contenido de SC3).

Se lo conoce además como cemento portland de alta resistencia inicial o supercemento. Permite desencofrar el hormigón a los pocos días y acelerar el terminado de la obra.

VARIEDADES DE CEMENTO PORTLAND

Cemento portland de endurecimiento rápido

Tiempo de fraguado menor. La velocidad de endurecimiento puede ser parecida al del cemento normal.


Cemento portland de fraguado rápido

Se utilizan materias primas libres de hierro

porque el Fe2O3 es el que produce el color gris del

cemento.


Cemento portland blanco

Al cemento blanco se añade una sustancia que suministre el color deseado. azul óxido de cobalto y azul de ultramar

negro o pardo óxidos de manganeso

amarillo o rojo óxidos de hierro

negro pigmentos a base de carbono

Cementos coloreados

Cemento al que se añade un agente impermeable como estereato de calcio o de aluminio (u otro metal) o un aceite no saponificable.


Cemento portland impermeable

Se caracteriza porque posee una composición química que reduce el calor de hidratación, lo que

se consigue reduciendo el contenido de AC3 y SC3 y

fijando un valor mínimo de SC2.

Se emplea en la construcción de grandes masas de hormigón (represas). Corresponde al tipo IV de cemento portland de USA.


Cemento portland de bajo calor de hidratación

Bajo contenido de AC3.

Se caracteriza por su elevada resistencia a las aguas sulfatadas. Corresponde al tipo V de cemento portland de USA.


Cemento portland resistentes a los sulfatos

Se obtiene por fusión a 1500ºC de una mezcla de caliza y bauxita en determinadas proporciones: 40%

de Al2O3 y 40% de CaO, el resto SiO2, Fe2O3 y

pequeñas proporciones de óxido de titanio, magnesio y azufre.

Constituyente principal es el aluminato mono-cálcico y en la reacciones de hidratación forma un

gel de Al(OH)3.


Cemento aluminoso o fundido

bauxita.

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:BauxiteUSGOV.jpg

Se caracteriza por alcanzar alta resistencia inicial, análoga al supercemento. Su tiempo de fraguado es similar al del cemento portland normal y es de color oscuro. Resistente a las aguas de mar, a las agua ricas en sulfatos y a líquidos orgánicos.


Cemento aluminoso o fundido

Se obtienen cuando se muelen junto una puzolana con el clinker de cemento portland o cuando se mezclan una puzolana y una cal hidratada.


Cemento puzolánico

La puzolana es un material silíceo o alúmino- silíceo que tiene la propiedad de reaccionar con la cal en contacto con el agua para dar un aglomerante hidráulico.


Cemento puzolánico

Las puzolanas pueden ser naturales o artificiales.

Entre las puzolanas naturales se encuentran: - Puzolana italiana (tierra de Pozzuoli) - Tierra de Santorín (Grecia)

Las puzolanas artificiales se obtienen calcinando ciertas arcillas, pizarras y tierras de diatomeas.


Cemento puzolánico

La resistencia de estos cementos varía con las proporciones utilizadas y pueden ser superiores a la del cemento portland. El hormigón elaborado con este cemento es resistente a las soluciones salinas, por lo que se recomienda su uso en obras que han de estar en contacto con agua de mar.

Se obtiene enfriando rápidamente la escoria de alto horno, pulverizándola y mezclándola luego con cal hidratada. La composición varía según la escoria y la cal utilizada. Antes del descubrimiento de los cementos fundidos se utilizaron en obras marítimas por su elevada resistencia al agua de mar.


Cemento de escorias

Se obtiene moliendo clinker de cemento portland y escorias de altos hornos y son resistentes a las aguas agresivas.


Cemento portland siderúrgico

Constituido de escoria de alto horno con pequeña cantidad de cemento portland o cal y sulfato de

calcio (contenido de SO3 superior a 5%).

Resistente a las aguas agresivas y a diversos productos químicos como cloruros, sulfatos, lejías, etc.

Cemento sobresulfatado

Es un cemento portland o un cemento de escorias que contiene un agente aireante tales como resinatos alcalinos, detergentes del tipo alquil-aril-sulfonato, etc., que produce un material más liviano. También se utilizan esta sustancias en el hormigón.


Cemento aireante

Está formado por una mezcla de cemento portland, un agente expansivo que contiene sulfato y un estabilizador constituido por escorias de altos hornos. Se caracteriza porque se expande ligeramente al endurecer o no posee ninguna retracción durante el secado al aire.


Cemento expansivo y sin retracción

Llamado también cemento magnésico. Se obtiene al hacer reaccionar la magnesia con

una solución de MgCl2 dando lugar a la formación

de oxicloruro de magnesio: 3MgO.MgCl2.11H2O.

Esta combinación es exotérmica y el fraguado se debe a la cristalización del oxicloruro de magnesio en forma de cristales duros y resistentes.


Cemento Sorel o de oxicloruro de magnesio

REQUISITOS EXIGIDOS AL CEMENTO PORTLAND: El cemento portland librado al consumo debe cumplir especificaciones fijadas por el gobierno nacional. Los pliegos de condiciones argentinos datan de 1931, y es Obras Sanitarias de la Nación el organismo que supervisa la calidad, expidiendo certificados de aprobación y practicando controles periódicos.

CONDICIONES TÉCNICAS DE APROBACIÓN

Los ensayos mas importantes son:

Determinación de la finura del polvo: el cemento

se tamiza y el polvo grueso que no atraviesa el

tamiz se expresa con un porcentaje.


Determinación de la velocidad de fraguado:

- Se amasa cemento con agua en cantidades prefijadas, poniendo en marcha un cronómetro.

- Cada tanto se pincha la masa semisólida con una aguja fina.

- Queda completado el endurecimiento cuando esta ya no penetra.

- El tiempo mínimo para que se inicie el fraguado es de 45 minutos y el máximo tolerado es de 3 horas.


Determinación de las resistencias mecánicas: Las resistencias mecánicas son requisitos esenciales, dado el uso del cemento portland en la construcción.

-Se determinan con piezas de forma y tamaño normalizados a fin de comprobar los resultados.

-La resistencia a la compresión se calcula midiendo la fuerza que aplicada sobre la cara de un cubo de cemento y arena causa su ruptura.

-Para la resistencia a la tracción se utilizan piezas en forma de 8, estiradas en sentidos opuestos.


Composición química

Los análisis químicos determinan el porcentaje de cada óxido componente. Dichos porcentajes se relacionan con el índice de hidraulicidad, que es de alrededor de 0,6 para el cemento portland común.


Pérdida por calcinación:

No debe se superior al 3%. Si el valor de la pérdida es considerable significa que se previamente se ha hidratado y por lo tanto pierde parte de las propiedades hidraulizantes.


Residuo insoluble:

Se debe a las sustancias de la materia prima que no ha reaccionado durante el proceso de clinkerización, ya sea por falta de temperatura o de homogeneización. Por eso se limita su contenido y un valor elevado puede ser índice de adulteración.

Valor máximo 1,5%.


Sulfatos, expresados como SO3:

El trióxido de azufre se incorpora como yeso y tiene la función de regular el fraguado de cemento portland. Una cantidad insuficiente da lugar a un fraguado rápido y un exceso producirá un fraguado lento.

Valor máximo 3,5%.


Magnesio, expresados como MgO:

El óxido de magnesio es un componente indeseable cuando sobrepasa cierto valor, produciendo expansiones diferidas en el cemento fraguado y endurecido.

Valor máximo 5%.


Álcalis:

El contenido de álcalis en determinada proporción y en ciertas condiciones, puede dar lugar con ciertos áridos reactivos del hormigón a reacciones nocivas por las expansiones que produce.

Además la cal libre en un cemento portland es un componente perjudicial porque puede causar expansiones.


Algunas sustancias son perjudiciales para al cemento portland, por ejemplo, los sulfatos de las aguas y de los suelos que pueden atacar al hormigón pudiendo poner en peligro la estructura.

Las reacciones se producen entre el sulfato con la cal y el aluminato tricálcico hidratados

del cemento portland dando lugar a CaSO4

(yeso) y sulfoaluminato de calcio o sal de

Candlot: 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O


Requisitos químicos


Requisitos Máximo %

Pérdida por calcinación 3

Residuo insoluble 1,5

Sulfatos, expresados como SO3 3,5

Magnesio, expresados como MgO 5

Sulfuros, expresados como S2- 0,1

Cloruros, expresados como Cl- 0,1

INDUSTRIAS ARGENTINAS DE CEMENTO

PRODUCCIÓN ANUAL DE CEMENTO

http://www.afcp.org.ar/2007/produccion01.html

Argentina por Regiones económicas

http://www.afcp.org.ar/2007/argentina02.html

Education

Cemento