Cemento

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. Hasta este punto la molienda entre estas rocas es llamada clinker, esta se convierte en cemento cuando se le agrega yeso, este le da la propiedad a esta mezcla para que pueda fraguar y endurecerse. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en España, parte de Suramérica y el Caribe hispano) o concreto (en México y parte de Suramérica). Su uso está muy generalizado en construcción e ingeniería civil.

Historia[editar]

Desde la antigüedad se emplearon pastas y morteros elaborados

con arcilla o greda, yeso y cal para unir mampuestos en las edificaciones. El cemento se

empezó a utilizar en laAntigua Grecia utilizando tobas volcánicas extraídas de la isla

de Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a. C. se empezó a utilizar en

la Antigua Roma, un cemento natural, que ha resistido la inmersión en agua marina por

milenios, los cementos Portland no duran más de los 60 años en esas condiciones; formaban

parte de su composición cenizas volcánicas obtenidas en Pozzuoli, cerca del Vesubio. La

bóveda del Panteón es un ejemplo de ello. En el siglo XVIII John Smeaton construye

la cimentaciónde 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

elPortland 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.

Propiedades generales del cemento[editar]

Buena resistencia al ataque químico.

Resistencia a temperaturas elevadas. 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.

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).

TIPOS

TIPO I, cemento común, para usos generales, es el que más se emplea para fines estructurales cuando no se requieren de las propiedades especiales especificadas para los   otros cuatro tipos de cemento.En las tablas 1.5 y 1.6 se dan diferentes características para los cementos Tipo I.

ESPECIFICACIONESNorma BolivianaNB 011

NormaEspañolaUNE 80-301

Tipo I ICategoría resistente 40 45Composiciónclinker % 95-100 95-99componentes adicionales % 0 a 5 1 a 5Requerimientos QuímicosPerdidas por calcinación,  % Máx.

5,0 5,0

Residuo insoluble,  % Máx. 3,0 5,0Trióxido de azufre,  % Máx. 3,5 4,5Oxido de magnesio,  % Máx. 6,0 -Requerimientos FísicosResistencia a la compresión,  MpaMínima a los :3 días 17,0 -7 días 25,0 30,028 días 40,0 45,0Fraguado VicatMínimo inicial, Minutos 45 60Máximo final, Horas 10 12Superficie especifica mínima, cm2/g

2600 -

ExpansiónAutoclave, % máximo 0,8 -Le Chatelier, mm máx. 10 10

TABLA 1.6       ESPECIFICACIONES QUÍMICAS PARA LOS CEMENTOS TIPO ICARACTERÍSTICAS QUÍMICAS(NB 061)

TIPO DE CEMENTO

I IP IF PPerdida por calcinación (% máx.) 5 7 7 8

Residuo insoluble (% máx.) 3 - 5 -

Trióxido de azufre (S03) (% máx.) 3,5 4 4 4

Oxido de magnesio (MgO) (% máx.) 6 6 6 6

Puzolanicidad 8 o 15 días - - - > 0

TIPO II, cemento modificado para usos generales y se emplea cuando se prevé una exposición moderada  al  ataque  por  sulfatos  o  cuando  se  requiere  un  moderado  calor  de hidratación.  Estas características  se  logran  al  imponer  limitaciones  en  el  contenido  de C3A  y  C3S  del  cemento.  El cemento tipo II adquiere resistencia con más lentitud que el tipo I; pero a final de cuentas, alcanza la misma resistencia. Este tipo de cemento se usa en el hormigón expuesto al agua de mar.

TIPO   III,   cemento   de   alta   resistencia   inicial ,  recomendable  cuando  se  necesita  una resistencia temprana en una situación particular de construcción. Este cemento se obtiene por un molido más fino y un porcentaje más elevado de C3A y C3S. El hormigón tiene una resistencia a la compresión a los 3 días aproximadamente igual a la resistencia a la compresión a los 7 días para los tipos I y II y una resistencia a la compresión a los 7 días casi igual a la resistencia a la compresión a los 28 días para los tipos I y II. Sin embargo, la resistencia última es más o menos la misma o menor que la de los tipos I y II.

Dado que el cemento tipo III tiene un gran desprendimiento de calor, no se debe usar en hormigones masivos.  Con  un  15%  de  C3A  presenta  una  mala  resistencia  a  los  sulfatos. El  contenido  de  C3A puede  limitarse  al  8%  para  obtener  una  resistencia  moderada  a  los sulfatos  o  a  5%  cuando  se requiere alta resistencia.

TIPO IV. Cemento de bajo calor de hidratación. Los porcentajes de C2S y C4AF son relativamente altos; El bajo calor de hidratación en el cemento tipo IV se logra limitando los compuestos que más influyen  en  la  formación  de  calor  por  hidratación,  o  sea,  C3A  y  C3S. Dado  que  estos  compuestos también aportan la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. Este cemento se usa para estructuras de hormigón masivo, con bajas relaciones superficie/volumen. Requiere mucho más tiempo de curado que los otros tipos.

TIPO   V.   Cemento   resistente   a   los   sulfatos .  La  resistencia  al  sulfato  se  logra minimizando  el contenido de C3A (≤5%), pues este compuesto es el más susceptible al ataque por sulfatos.

Este  tipo  se  usa  en  las  estructuras  expuestas  a  los  sulfatos  alcalinos  del  suelo  o  del agua,  a  los sulfatos de las aguas freáticas y para exposición al agua de mar.

Las resistencias relativas de los hormigones preparados con cada uno de los cinco tipos de cemento se comparan  en  la  tabla  1.9,  a  cuatro  edades  diferentes;  en  cada  edad,  se  han normalizado  los valores de resistencia para comparación con el hormigón de cemento tipo I.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CEMENTOS PÓRTLAND*

Tipo* DescripciónCaracterísticasOpcionales

I Uso General 1, 5II Uso general; calor de hidratación

moderado y resistencia moderada a los sulfatos

1, 4, 5

III Alta resistencia inicial 1, 2, 3, 5IV Bajo calor de hidratación 5V Alta resistencia a los sulfatos 5, 6Características Opcionales1.     Aire incluido, IA, IIA, IIIA.2.     Resistencia moderada a los sulfatos: C3A máximo, 8%.3.     Alta resistencia a los sulfatos: C3A máximo, 5%.4.     Calor de hidratación moderado: calor máximo de 290 kJ/kg (70cal/g) a los 7días, o la suma de C3S y C3A, máximo 58%.5.     Álcali bajo: máximo de 0.60%, expresado como Na2O equivalente.6.     El limite de resistencia Alternativa de sulfatos esta basado en el ensayo deexpansión de barras de mortero.

(*) Para cementos especificados en la ASTM C 150.

COMPOSICIÓN  TÍPICA  DE  LOS  COMPUESTOS  DE  LOSCEMENTOS PÓRTLAND

Tipo de cemento

Compuesto %Perdida porCalcinación%

CaO Libre %C3SC2SC3A C4AFMgO SO3

I 55 19 10 7 2.8 2.9 1 1

II 51 24 6 11 2.9 2.5 0.8 1

III 57 19 10 7 3 3.1 1 1.6

IV 28 49 4 12 1.8 1.9 0.9 0.8V 38 43 4 9 1.9 1.8 0.9 0.8

RESISTENCIAS DE LOS CEMENTOS TIPO I, II, III, IV Y VEn el mundo existen una gran variedad de tipos de cementos-8 tipos de cemento Pórtland, ASTM C150: I, IA, II, IIA, III, IIIA, IV, V.

La norma ASTM especifica:

-6 tipos de cemento hidráulico mezclado, ASTM C595: IS, IP, P, I(PM), I(SM), S.

Tipo IS.- Cemento Pórtland con escoria de alto horno

28 días 3 meses

Tipo IP.- Cemento Pórtland con adicion Puzolanica.

Tipo P.- Cemento Pórtland con puzolana para usos cuando no se requiere alta resistencia inicial. Tipo I (PM).- Cemento Pórtland con Puzolana modificado.

Tipo I (SM).- Cemento portland con escoria, modificado.

100 100

Tipo S.- Cemento con escoria para la combinacion con cemento Portland en la fabricación de concreto y en combinacion con cal hidratada en la fabricación del mortero de albañilería.

-3 tipos de cemento para mampostería, ASTM C91: N, M, S.

96 100

En el mundo existen una gran variedad de tipos de cementos

La norma ASTM especifica:

110 100

-8 tipos de cemento Pórtland, ASTM C150: I, IA, II, IIA, III, IIIA, IV, V.

-6 tipos de cemento hidráulico mezclado, ASTM C595: IS, IP, P,

Tipo IS.- Cemento Pórtland con escoria de alto horno

62 100

I(PM), I(SM), S.

Tipo IP.- Cemento Pórtland con adicion Puzolanica.

Tipo P.- Cemento Pórtland con puzolana para usos cuando no se requiere alta resistencia inicial. Tipo I (PM).- Cemento Pórtland con Puzolana modificado.

Tipo I (SM).- Cemento portland con escoria, modificado.

85 100

CON INCLUSIÓN DE AIRE, ASTM C150: TIPO IA, IIA Y IIIA,.. Estos tipos tienen una composición semejante a las de los tipos I, II y III, excepto que durante la fabricación, se muele junto con estos últimos un agente inclusor de aire. Este constituye un mal método para obtener aire incluido, ya queno  se  puede  hacer  variar  la  dosis  del  agente  para  compensar  otros  factores  que influyan  en  el contenido de aire en el hormigón.Estos cementos se usan para la producción de hormigón expuesto a heladas severas.

CEMENTOS MEZCLADOS ASTM C595: TIPO IS, IP, P, I(PM), I(SM), S. Estos cementos consisten en mezclas, que se muelen juntas, de clinker y ceniza muy fina, puzolana natural o calcinada, o bien, escoria,  dentro  de  los  límites  en  porcentaje  especificados  de  los componentes.  También  pueden consistir en mezclas de cal de escoria y cal de puzolana. En general, pero no necesariamente, estos cementos dan lugar a una resistencia mayor a la reacción álcali-agregado, al ataque por sulfato y al ataque  del  agua  de mar,  pero  requieren un  curado  de  mayor  duración  y  tienden  a  ser  menos resistentes a los daños por la sal para deshelar y descongelar. Dan lugar a una menor liberación de calor y es posible que ganen resistencia con mayor lentitud, en especial a bajas temperaturas.Cementos Puzolánicos1.- Endurecen más lentamente, en especial en ambiente frío, yrequierenen general más agua de amasado que el Pórtland normal; pero a largo plazo llegan asuperar lasresistencias de este, confiere al hormigón una elevada densidad,disminuyendo su porosidad yhaciéndolo   mas   compacto,   lo   que   aumenta   su  resistencia   química.  Todo   ello   lo   hacerecomendable  para  gran  numero  de  obras(canales,  pavimentos.  obras  en  aguas muy  puras  o ambientes medianamente agresivos, hormigonados bajo agua, obras marítimas, etc.).

Cemento  de  Alto  Horno.-  Se  obtiene  por  enfriamiento  brusco  en  agua  de  la ganga  fundida procedente de procesos siderúrgicos. Dado su contenido en calcombinada, la escoria no es unasimple puzolana, sino que tiene de por si propiedadeshidráulicas, es decir, que es un verd

aderocemento, fragua y endurece muylentamente, por lo que debe ser acelerada por la presencia de algo que libere cal, como el clinker de Pórtland.Estos cementos presentan poca retracción y un débil calor de hidratación, por lo quepueden serutilizados sin riesgo en grandes macizos. A cambio y por la misma razón,son muy sensibles alas bajas  temperaturas, que retardan apreciablemente suendurecimiento, por  lo que no deben utilizarse por debajo de los + 5 ºC.

PARA   MAMPOSTERÍA,   ASTM   C91,   TIPO   N,   S   Y   M .  Son  cementos  de  baja  resistencia utilizados exclusivamente en albañilería. El tipo M tiene la resistencia más alta, alcanzando20MPa. Una característica de este tipo de cemento es su mayor plasticidad. Este tipo se usa también  pararevoque;  asimismo,  suele  contener  una  piedra  caliza  finamente  molida junto con el clinker y un plastificante inclusor de aire. Una marca que se encuentra en el mercado es CALCEMIT.

CEMENTO BLANCO. Este tipo cumple con los requisitos del tipo I o del tipo III, o los deambos. En él se utilizan materias primas de bajo hierro y bajo manganeso y un apagadoespecial para producir un color blanco puro.API  especial  10  para  pozos  petroleros.  Este  tipo  consta  de  varias  clases  y  está diseñado  para satisfacer  las condiciones de presión y temperatura elevadas que seencuentran en  la  inyección de grout  en  los  pozos  petroleros.  Este  tipo  produce  una  pasta aguada  de  baja viscosidad  y  fraguado lento,  tan  líquida como es posible para  facilitar elbombeo a presión en  los pozos profundos. Es de bajo  contenido  de  C3A,  de  molido grueso  y  no  puede  contener  alguna  sustancia  para  ayudar  a  la pulverización.

TIPOS  EXPANSIVOS.  Estos  tipos  se  usan  para  inhibir  la  contracción  del  hormigón  y minimizar  el agrietamiento. Tienen baja resistencia al sulfato.

CEMENTOS DE ALTA  ALÚMINA.  Este  tipo  contiene  aluminatos  de  calcio,  en  lugarde silicatos  decalcio.  Tiene  una  elevada  resistencia  temprana  (a  las  24hrs)  y  propiedades  refractarias. Puedeexperimentar  un  40%  de  regresión  en  la  resistencia después  de  secar  durante  un periodo  de  6 meses, si el hormigón no se mantiene frío durante las primeras 24 h después de mezclar y vaciar.

. COMPOSICIÓN QUÍMICA

Análisis químico.-

La tabla 1.1 muestra los porcentajes típicos en que se presentan los compuestos en el cemento y las abreviaturas con las que suelen ser denominados:TABLA 1.1     PORCENTAJES TÍPICOS DE INTERVENCIÓN DE LOS ÓXIDOS

Oxido component

Porcentaje

Abreviatura

e TípicoCal combinada CaO 62.5% C

Sílice SiO2 21% S

Alúmina Al2O3 6.5% A

Hierro Fe2O3 2.5% F

Cal Libre CaO 0%

Azufre SO3 2%

Magnesio MgO 2%

Álcalis Na2O y K2O 0.5%

Perdida al Fuego P.F. 2%

Residuo insoluble R.I. 1%

Los  cuatro  primeros  componentes  nombrados  en  la  tabla  1.1  no  se  encuentran libremente  en  el cemento,  si  no  combinados  formando  los  componentes  potenciales, conocidos  como  “compuestosBoguea”Los compuestos Bogue, sus fórmulas químicas y abreviaturas simbólicas son los siguientes: Silicato tricálcico  3CaO · SiO2  = C3S

Silicato dicálcico          2CaO · SiO2  = C2S Aluminato tricálcico       3CaO · Al2O3  = C3AFerroaluminato tetracálcico      4CaO · Al2O3  · Fe2O3  = C4AF

Estos  compuestos  o  “Fases”,  como  se  les  llama,  no  son  compuestos  verdaderos  en  el sentidoquímico;  sin  embargo,  las  proporciones  calculadas  de  estos  compuestos  proporcionan información valiosa  en  la  predicción  de  las  propiedades  del  cemento.  Las  formulas utilizadas  para  calcular  los compuestos Bogue se pueden encontrar en la ASTM C150.

2. EFECTO DE LOS COMPONENTES

Cada  uno  de  los  cuatro  compuestos  principales  del  cemento  Pórtland,  así  como  los compuestos secundarios,  contribuye  en  el  comportamiento  del  cemento,  cuando  pasa  del  estado  plástico  al endurecido  después  de  la  hidratación.  El  conocimiento  del comportamiento  de  cada  uno  de  los compuestos principales, durante la hidratación, permite ajustar las cantidades de cada uno durante la fabricación, para producir las propiedades deseadas en el cemento.

El Silicato Tricálcico, C3S, es el compuesto activo por excelencia del clinker, es el que produce la alta  resistencia  inicial  del  cemento  Pórtland  hidratado.  Pasa  del  fraguado  inicial  al final  en  unas cuantas  horas.  El  C3S  reacciona  con  el  agua  desprendiendo  una  gran cantidad  de  calor  (calor  de hidratación).  La  rapidez  de  endurecimiento  de  la  pasta  de cemento  está  en  relación  directa  con  el calor de hidratación; cuanto más rápido sea el fraguado, mayor será la exotermia. El C3S hidratado alcanza  gran  parte  de  su  resistencia  en siete  días.  Debe  limitarse  el  contenido  de  S3C  en  los cementos para obras de grandes masas de hormigón, no debiendo rebasarse un 35%, con objeto de evitar valores elevados del calor de hidratación.

El  Silicato  Dicálcico,  C2S,  requiere  algunos  días  para fraguar.  Es  el  causante  principal  de  la resistencia  posterior  de  la  pasta  de  cemento Pórtland.  Debido  a  que  su  reacción  de  hidratación avanza  con  lentitud,  genera  un  bajo calor  de  hidratación.  Este  compuesto  en  el  cemento  Pórtland desarrolla   menores   resistencias   que   el   C3S   en   las   primeras   edades;   sin   embargo,   aumenta gradualmente, alcanzando a unos tres meses una resistencia similar a la del C3S. Los cementos con alto contenido en silicato dicálcico son más resistentes a los sulfatos.

Aluminato Tricálcico, C3A, presenta fraguado instantáneo al ser hidratado y gran retracción. Es el causante primario del fraguado inicial del cemento Pórtland y desprende grandes cantidades de calor durante  la  hidratación.  El  yeso,  agregado  al  cemento  durante  el proceso  de  fabricación,  en  la trituración  o  en  la  molienda,  se  combina  con  el  C3A  para controlar  el  tiempo  de  fraguado,  por  su acción al retardar la hidratación de este. El compuesto C3A muestra poco aumento en la resistencia después  de  un  día.  Aunque  el  C3A hidratado,  por  si  solo,  produce  una  resistencia  muy  baja,  su presencia  en  el  cemento  Pórtland  hidratado  produce  otros  efectos  importantes.  Por  ejemplo  un aumento  en  la cantidad  de  C3A  en  el  cemento  Pórtland  ocasiona  un  fraguado  más  rápido,  pero conduce  a  propiedades  indeseables  del  hormigón,  como  una  mala  resistencia  a  los sulfatos  y  un mayor cambio de volumen. Su estabilidad química es buena frente a ciertas aguas agresivas (de mar, por  ejemplo)  y  muy  débil  frente  a  sulfatos.  Con  objeto  de  frenar la  rápida  reacción  del  aluminato tricálcico  con  el  agua  y  regular  el  tiempo  de  fraguado del  cemento,  se  añade  al  clinker  un  sulfato (piedra de yeso).

El Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, El uso de más óxido de hierro en la alimentación del horno ayuda a disminuir el C3A, pero lleva a la formación de C4AF, un producto que actúa como relleno con poca o ninguna resistencia. No obstante, es necesario como fundente para bajar la temperatura de formación  del  clinker.  Es  semejante  al  C3A,  porque  se  hidrata con  rapidez  y  sólo  desarrolla  baja resistencia. No obstante, al contrario del C3A, no muestra fraguado instantáneo. Su resistencia a las aguas selenitosas y agresivos en general es la mas alta de todos los constituyentes. Su color oscuro le hace prohibitivo para los cementos blancos por lo que en este caso se utilizan otros fundentes en la fabricación.

La  Cal  libre,  CaO,  No  debe  sobrepasar  el  2%,  ya  que  en  cantidades  excesivas  puede  dar por resultado  una  calcinación  insuficiente  del  clinker  en  el  horno,  esto  puede  provocar expansión  y desintegración del hormigón. Inversamente, cantidades muy bajas de cal libre reducen la eficiencia en el consumo de combustible y producen un clinker duro para moler que reacciona con mayor lentitud.

El  Oxido  de  Magnesio  queda  limitado  por  las  especificaciones  al  6%,  ya  que  conduce  a  una expansión de volumen variable en el hormigón, debido a la hidratación retardada, en especial en un medio ambiente húmedo.

Los  Álcalis  (Na2O  y  K2O)  son  componentes  secundarios  importantes,  ya  que  pueden causar deterioro  expansivo  cuando  se  usan  tipos  reactivos  de  agregados  silíceos  para  el hormigón.  Se especifica cemento de bajo álcali en zonas en donde se encuentran estos agregados. El cemento de bajo álcali contiene no más del 0,6% de álcalis totales. Sin embargo, debe controlarse el porcentajede  álcalis  totales  en  el  hormigón,  ya  que  el  álcali  puede  entrar  a  la  mezcla  de  ese hormigón proveniente de ingredientes que no son el cemento, como el agua, los agregados y los aditivos.Trioxido de azufre, SO3, el azufre proviene de la adición de piedra de yeso que se hace al clinker durante la molienda para regular su fraguado, pudiendo también provenir del combustible empleado en el homo. Un exceso de SO3  puede conducir al fenómeno de falso fraguado, por lo que conviene limitarlo a no mas del 4%.

Perdida  al  fuego,  cuando  su  valor  es  apreciable,  la  perdida  al  fuego  proviene  de  la presencia  de adiciones  de  naturaleza  caliza  o  similar,  lo  cual  no  suele  ser  conveniente. Si  el  cemento  ha experimentado un prolongado almacenamiento, la perdida al fuego puede provenir del vapor de aguao  del  CO2   presentes  en  el  conglomerante,  siendo  entonces  expresiva  de  una meteorización  del cemento.

Residuo insoluble, proviene de la presencia de adiciones de naturaleza silicea. No debe superar el 5% para el Pórtland I.