Historia del
Cemento Portland
Hasta el siglo 18 los únicos conglomerantes usados fueron
los yesos y las cales hidráulicas, es durante el siglo 19 y 20 cuando empieza a
ser importante el interés por el cemento.
El ingeniero inglés John Smeaton encuentra que el mortero
formado por adición de puzolana a una caliza, con alta proporción de arcilla,
era el que mejor resultado daba frente a la acción de las aguas marinas. Se
confirmaba que la presencia de arcilla en las cales no sólo no las perjudicaba
sino que las mejoraba haciendo posible el fraguado de la cal bajo el agua y que
una vez endurecidas fueran insolubles.
Vicat fue un estudioso de la hidraulicidad de las cales
que contenían arcillas y fruto de sus estudios son los primeros cementos
naturales, precursores de los actuales Portland. En 1824, Joseph Aspdin,
constructor de Leeds, en Inglaterra, daba el nombre de Portland y patentaba un
material pulvurento que amasado con agua y con arena se endurecía formando un
conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland. No era
exactamente como el Portland actual, este no llegaría hasta que Isaac Johnson
molió finamente los nódulos sobre cocidos que quedaban a la salida del horno de
Aspdin, con ello mejoró: las dosificaciones y aumentó las temperaturas de
cocción hasta lograr la sinterización de la mezcla.
En el siglo 19 empieza a extenderse de manera
extraordinaria el uso del cemento y en los inicios del siglo veinte se impone
el cemento Portland a los naturales. El cemento Portland ha llegado a una gran perfección
y es material industrializado de construcción de mayor consumo. Se puede decir
que el cemento es el alma del concreto , yendo destinada, prácticamente, toda
su producción a enlazar piedras sueltas para crear el material pétreo que
conocemos como concreto.
Existen dos tipos de cementos: los cementos naturales y
el cemento Portland.
El cemento natural se presenta por calcinación de margas
naturales a temperaturas medias, sin formación de fase líquida. La materia
prima es intermedia entre cales hidráulicas y cemento Pórtland.
Estos cementos naturales se trituran y muelen
posteriormente por apreciarse mejores comportamientos en el producto final
obtenido.
COMPONENTES DEL
CEMENTO PORTLAND
El cemento Portland está formado, básicamente, por la
molienda conjunta del producto de la cocción,
hasta sinterización, de una mezcla de caliza (carbonatos
cálcicos) y arcilla (silicatos de aluminio hidratado) que recibe el nombre de
clinker y de un material empleado como regulador de fraguado que, generalmente,
es yeso dihidrato. Los componentes principales del clinker son la cal ,la
sílice, el aluminio y el hierro, en forma de óxidos. Las margas presentan como
principales contenidos los componentes calizos y componentes arcillosos en
distintas proporciones, por lo que son utilizadas como principal materia prima.
Otros productos de uso se utilizan en el proceso de fabricación otros
componentes como correctores de composición: arena, bauxita, mineral de hierro
y pirita.
Los componentes
principales del cemento Portland son:
A)
Clínker
de cemento Pórtland (K)
El clínker de cemento pórtland se obtiene por
sinterización de una mezcla homogénea de materias primas (crudo, pasta o
harina) conteniendo elementos, normalmente expresados en forma de óxidos, CaO,
SiO2, Al2O3, Fe2O3 y pequeñas cantidades de otras materias.
El clínker de cemento pórtland es un material hidráulico
que debe estar constituido al menos en dos tercios de su masa por silicatos de
calcio [3CaO.SiO2] y [2CaO. SiO2], estando constituido el resto por fases del
clínker conteniendo
aluminio, hierro y por otros compuestos. La relación en
masa (CaO) / (SiO2) no será menor de 2,0 y el contenido de óxido de magnesio
(MgO) no excederá del 5,0 % en masa.
B)
Clínker
de cemento Pórtland (K)
empleado en cementos resistentes a los sulfatos y en
cementos resistentes al agua de mar las especificaciones adicionales para los
cementos comunes resistentes a los sulfatos y al agua de mar son, en cuanto a
su clínker, las limitativas de su contenido de aluminato tricálcico y de la
suma de sus contenidos de aluminato tricálcico y ferrito-aluminato
tetracálcico.
C)
Clínker
de cemento de aluminato de calcio (K)
El clínker de cemento de aluminato de calcio es un
material hidráulico que se obtiene por fusión o sinterización de una mezcla
homogénea de materiales aluminosos y calcáreos conteniendo elementos,
normalmente expresados en forma de óxidos, siendo los principales los óxidos de
aluminio, calcio y hierro (Al2O3, CaO, Fe2O3), y pequeñas cantidades de óxidos
de otros elementos (SiO2, TiO2, S=,SO3,Cl-, Na2O, K2O, etc.).
El componente mineralógico fundamental es el aluminato
monocálcico (CaO
Al2O3).
D)
Escoria
granulada de horno alto (S)
La escoria granulada de horno alto se por obtiene
enfriamiento rápido de una escoria fundida de composición adecuada, obtenida
por la fusión del mineral de hierro en un horno alto y constituida al menos en
dos tercios de su masa por escoria vítrea y que posee propiedades hidráulicas
cuando se activa de manera adecuada.La escoria granulada de horno alto debe
estar constituida al menos en dos tercios de su masa por la suma de óxido de
calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO) y dióxido de silicio (SiO2).
El resto contiene óxido de aluminio (Al203) junto con pequeñas
cantidades de otros compuestos la escoria granulada es una especie de arena (el
aspecto y color son parecidos) que se obtiene por enfriamiento brusco en agua
de la ganga fundida procedente de procesos siderúrgicos. Sus partículas son más
o menos porosas y rechinan al aplastarlas con la mano. Al ser enfriada
bruscamente en agua (temple) la escoria se vitrifica y se vuele activa.
Dado su contenido en cal combinada, la escoria no es una
simple puzolana, sino que tiene de por sí propiedades hidráulicas, es decir,
que es un verdadero cemento. Lo que sucede es que, por sí sola, la escoria
fragua y endurece muy lentamente, por lo que debe ser acelerada por la
presencia de algo que libere cal, como el clínker de Portland. Bastan muy
pequeñas cantidades de este último componente para asegurar el fraguado y
endurecimiento de la
escoria molida. Por su composición y estabilidad la
escoria es más dura que el clínker y por eso se muelen por separado.
E)
Puzolanas
(P,Q)
Las puzolanas son sustancias naturales de composición
silícea o sílico-aluminosa o combinación de ambas. Las puzolanas no endurecen
por si mismas cuando se amasan con agua, pero finamente molidas y en presencia
de agua reaccionan, a la temperatura ambiente normal, con el hidróxido de
calcio disuelto [Ca(0H)2] para formar compuestos de silicato de calcio y
aluminato de calcio capaces de desarrollar resistencia. Estos compuestos son
similares a los que se forman durante el endurecimiento de los materiales
hidráulicos.
Las puzolanas están compuestas esencialmente por dióxido
de silicio reactivo (SiO2) y óxido de aluminio (Al203). El resto contiene óxido
de hierro (Fe203) y otros óxidos. Las
puzolanas deben prepararse correctamente, es decir, deben
ser seleccionadas, homogeneizadas, secadas o tratadas térmicamente y
pulverizadas, dependiendo de su estado de producción o de suministro. Las
puzolanas naturales (P) son normalmente materiales de origen volcánico o rocas
sedimentarias con composición química y mineralógica adecuadas, Las puzolanas
naturales calcinadas (Q) son materiales de origen volcánico, arcillas, pizarras
o rocas sedimentarias activadas por tratamiento térmico.
Las puzolanas naturales calcinadas(Q) son materiales de
origen volcánico, arcillas, pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamiento
térmico.
F)
Cenizas
volantes (V, W)
Las cenizas volantes se obtienen por precipitación
electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los
flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. Las cenizas
obtenidas por otros métodos no deberán emplearse en los cementos. Las cenizas
volantes pueden ser de naturaleza silícea o calcárea. Las primeras tienen
propiedades puzolánicas; las segundas pueden tener, además, propiedades
hidráulicas.
Tiene influencia en la corrosión (más basicidad), en el
desarrollo de resistencias más lentas. Además, exigen menos cantidad de agua y
la retienen mas, produciendo menores retracciones y por tanto menores riesgos
de fisuración.
La ceniza volante silícea (V)es un polvo fino de
partículas esféricas que tiene propiedades puzolánicas. Consta esencialmente de
dióxido de silicio reactivo (SiO2) y óxido de aluminio (Al2O3). El resto contiene
óxido de hierro (Fe2O3 y otros compuestos. La proporción de óxido de calcio
reactivo será menor del 10,0% en masa, y el contenido de óxido de calcio libre,
determinado por el método descrito en la norma UNE EN 451-1, no excederá del
1,0% en masa. Las cenizas volantes que tienen un contenido de óxido de calcio
libre superior al 1,0% en masa pero inferior al 2,5% en masa son también
aceptables
con la condición de que el requisito de la expansión
(estabilidad) no sobrepase los 10 mm cuando sea ensayada conforme a la norma
UNE EN 196-3, usando una mezcla de un 30 % en masa de ceniza volante silícea y
un 70% en masa de un cemento. tipo CEM I. El contenido de dióxido de silicio
reactivo no será inferior al 25% en masa. Para su utilización en los cementos
resistentes a los sulfatos (SR) y en los cementos resistentes a agua de mar
(MR) deben cumplir una serie de especificaciones.
La ceniza volante calcárea (W) es un polvo fino que tiene
propiedades hidráulicas o puzolánicas. Consta esencialmente de óxido de calcio
reactivo (CaO), dióxido de silicio reactivo (SiO2) y óxido de aluminio (Al2O3).
El resto contiene óxido de hierro (Fe2O3) y otros compuestos. La proporción de
óxido de calcio reactivo será superior a un 10,0% en masa. Por un lado, si las
cenizas volantes calcáreas contienen
entre el 10,0% y el 15,0% en masa de óxido de cal
reactivo, tendrán un contenido superior o igual al 25,0% en masa de dióxido de
silicio reactivo. Por otro lado, cuando las cenizas volantes calcáreas tengan
más del 15,0% en masa de óxido de calcio reactivo, tendrá una resistencia a
compresión de al menos 10,0 MPa a 28 días, ensayadas conforme a la norma UNE EN
196-1. Para la realización del ensayo de resistencia a compresión, la ceniza
volante será previamente molida hasta una finura comprendida entre el 10% y el
30% en masa, expresada como la proporción en masa de la ceniza retenida sobre
el tamiz de 40 micrómetros, siendo tamizada en húmedo. El mortero para ensayo
de resistencia a compresión será preparado sólo con ceniza volante calcárea
molida, en lugar de cemento. Las probetas de mortero deben ser desmoldadas 48 h
después de su preparación y curadas con una humedad relativa de al menos 90%
hasta el ensayo. ,m La expansión (estabilidad de volumen) de las cenizas
volantes calcáreas no sobrepasará los 10 mm cuando m, sean ensayadas conforme a
la norma UNE EN 196-3,usando una mezcla de un 30% en masa de ceniza volante
calcárea molida como se ha descrito anteriormente, y un 70% en masa de un
cemento tipo CEM I. Si el contenido en sulfato (SO3) de la ceniza volante m,
excede el límite superior permitido para el contenido en sulfato del cemento,
esto debe tenerse en cuenta por el fabricante del cemento, reduciendo
convenientemente los constituyentes que contienen sulfato de calcio
G)
Esquisto
Calcinado (T)
El esquisto calcinado, particularmente el bituminoso, se
produce en un horno especial a temperaturas de aproximadamente 800 ºC. Debido a
la composición del material natural y al proceso de producción, el esquisto
calcinado contiene fases del clínker, principalmente silicato bicálcico y
aluminato monocálcico.
También contiene proporciones mayores de óxidos
puzolánicamente reactivos, especialmente dióxido de silicio, además de pequeñas
cantidades de óxido de calcio libre y de sulfato de calcio. En consecuencia, en
estado finamente molido, el esquisto calcinado presenta propiedades
hidráulicas, como las del cemento Pórtland, así como propiedades puzolánicas.
H)
Caliza
(L, LL)
Las calizas cumplirán con los siguientes requisitos:
a)
El contenido de carbonato de calcio
(CaCO3), calculado a partir del contenido de óxido de calcio, no será inferior
al 75% en masa.
b) El contenido de arcilla, determinado por el método del
azul de metileno conforme a la norma UNE-EN 933-9será menor de 1,20 g/100 g.
Para este ensayo, la caliza estar molida a una finura aproximada de 5000 cm2/g,
determinada como superficie específica conforme a la norma UNE 80122.
b)
El contenido de carbono orgánico total
(TOC), determinado conforme a la norma UNE-EN 13639, cumplirá uno de los
siguientes criterios:
Para los subtipos LL: no excederá del 0,20% en masa.
Para los subtipos L: no excederá del 0,50% en masa.
I)
Humo de
Sílice (D)
El humo de sílice se origina por la reducción de cuarzo
de elevada pureza con carbón en hornos de arco eléctrico, para la producción de
silicio y aleaciones de ferrosilício, y consiste en partículas esféricas muy
finas conteniendo al menos el 85% en masa de dióxido de sílice amorfo. Es un
subproducto de la obtención del silicio y el ferrosilicio. Se reduce en horno
eléctrico cuarzo muy puro y carbón, recogiéndose el humo generado mediante
filtro electrostático, es decir, recogiendo partículas de muy pequeño diámetro
formadas, principalmente, por sílice muy reactiva.
J)
Componentes
adicionales minoritarios
Los componentes adicionales minoritarios son materiales
minerales naturales o derivados del proceso de fabricación del clínker. Estarán
correctamente seleccionados, homogeneizados, secados y pulverizados, en función
de su estado de producción o suministro. Los componentes adicionales
minoritarios no aumentarán sensiblemente la demanda de agua del cemento, no
disminuirán la resistencia del concreto
o del mortero en ningún caso, ni reducirán la protección
de las armaduras frente a la corrosión. Estos componentes suelen mejorar las
propiedades físicas de los cementos (tales como la docilidad o la retención de
agua). La información sobre los componentes adicionales minoritarios del
cemento será facilitada por el fabricante cuando lo solicite el usuario.
K)
Sulfato de Calcio
El sulfato de calcio se añade
durante la fabricación del cemento para controlar el fraguado. El sulfato de
calcio puede ser yeso o anhidrita o cualquier, mezcla de ellos.
L)
Aditivos
Los aditivos son componentes no
contemplados en los apartados anteriores, que se añaden para mejorar la
fabricación o las propiedades del cemento. La cantidad total de aditivos en los
cementos no excederá del 1% en masa del cemento (a excepción de los pigmentos);
mientras que la cantidad de aditivos orgánicos no excederá del 0,5 % en masa
del cemento, medida sobre el residuo seco.
Estos aditivos no provocaran,
aceleraran o facilitaran la corrosión de las armaduras cuando el concreto sea
armado.
5.4 CARACTERISTICAS FISICAS Y MECÁNICAS DE LOS
CEMENTOS
Finura de molido: Es una
característica íntimamente ligada al valor hidráulico del cemento, ya que
influye decisivamente en la velocidad de las reacciones químicas que tienen
lugar durante su fraguado y primer endurecimiento. Al entrar en contacto con el
agua, los granos de cemento se hidratan sólo en una profundidad de 0,01 mm, por
lo que, si dichos granos fuesen muy gruesos, su rendimiento sería muy pequeño
al quedar en su interior un núcleo prácticamente inerte. Si el cemento posee
una finura excesiva, su retracción y calor de fraguado son muy altos (lo que,
en general, resulta perjudicial), el conglomerante resulta ser más susceptible
a la meteorización (envejecimiento) tras un almacenamiento prolongado, y
disminuye su resistencia a la aguas agresivas. Fraguado y endurecimiento
Cuando un cemento se amasa con agua
en proporción del 20 al 35% en peso, se forma una pasta que mantiene su
plasticidad durante un tiempo muerto después del cual la pasta empieza a
rigidizarse rápidamente hasta que desaparece su plasticidad a la vez que va
aumentando su resistencia de forma gradual. Este fenómeno es consecuencia de
las precipitaciones sólidas o cristal que se producen durante las reacciones de
hidratación y que dan lugar a un aumento progresivo de la viscosidad de la
pasta.
Hay que distinguir dos fases:
Fraguado
La pasta pierde su plasticidad
llegando a adquirir algo de resistencia. El fraguado va acompañado de
desprendimiento de calor; al principio se observa una elevación fuerte de
temperatura seguida de un fuerte descenso con un mínimo y luego, un pico que
puede considerarse como el final del fraguado.
Endurecimiento
Ganancia progresiva de resistencias
de una pasta fraguada. Como progresivo desarrollo de resistencias mecánicas
queda regulado por la naturaleza y estructura de las películas coloidales que
recubren los granos y que avanzan hacia el núcleo en la hidratación. Es
frecuente confundir los términos fraguado y endurecimiento cuando en realidad
son dos fenómenos distintos y hasta tal punto lo son que pueden existir
cementos de fraguado lento y de endurecimiento rápido. En la velocidad de
fraguado y endurecimiento entran en juego:
-Finura de molido del cemento
-Temperatura del agua de amasado
-Presencia o no de materias
orgánicas e inorgánicas y aditivos
Expansión
Los ensayos de estabilidad de
volumen tiene por objeto manifestar, a corto plazo, el riesgo de expansión
tardía que puede tener un cemento fraguado debida a la hidratación del óxido de
calcio y/o del óxido de magnesio libres. El método de ensayo (Norma europea EN
196-3). Consiste en un pequeño molde cilíndrico abierto por una generatriz y
terminado por dos agujas para amplificar la expansión. Una vez relleno con la
pasta de
cemento, se mantiene 24 horas en la
cámara húmeda. El aumento de la distancia de las dos puntas de las agujas
después de sumergido el molde en agua en ebullición, durante tres horas, mide
la expansión.
Resistencia mecánica
La aplicación fundamental del
cemento es la fabricación de morteros y concretos destinados a la construcción
de elementos en los que, generalmente, la propiedad más interesante es sus
resistencias mecánicas; por consiguiente, los cementos, junto con los áridos,
tienen que conferírselas y esto lo logran porque al amasarlos con agua dan
lugar a pastas que endurecen y tienen una gran cohesión y cuya porosidad va
disminuyendo a la vez que las resistencias mecánicas van creciendo con el paso del
tiempo, presentando, además, estas pastas una gran adherencia con los áridos
que componen el mortero y el concreto.
5.6 PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND
Materias primas +
correctores->crudo->horno->clínker + yeso->cemento
Para la fabricación del cemento Portland hay dos sistemas
que se denominan de "vía seca" y de "vía húmeda", y que
prácticamente sólo difieren en la preparación de la materia prima o crudo que
penetra en el horno.
En el sistema de vía húmeda, las materias primas se
deslíen en unos tanques y la pasta
homogeneizada resultante alimenta el horno; en el sistema
de vía seca, el horno se alimenta con la materia prima seca y pulverulenta y,
en algunos casos, con nódulos realizados con esta materia amasada con muy
pequeña cantidad de agua.
El primer sistema,
que ha sido muy empleado hasta hace unos años, tiene algunas ventajas que no
llegan a compensar el mayor consumo de combustible requerido para evaporar la
gran cantidad de agua que lleva la pasta, que oscila entre el 35 y el 50%, y el
mayor costo y dimensión de los hornos, de aquí que actualmente, la mayor parte
del cemento que se fabrica se realice por vía seca.
La vía seca permite un ahorro energético de como mínimo
el 15% sobre la vía húmeda; por otra parte, la calidad del cemento es similar y
el problema que podría achacársele de mayor contaminación ambiental está hoy en
día solucionado con los filtros electrostáticos de gran eficacia.
En los últimos años se ha experimentado un gran avance en
todo el proceso de fabricación del cemento, reduciendo el consumo energético y
los costos, y mejorando la calidad y uniformidad de los productos obtenidos
mediante la automatización de las plantas y el control continuo de la calidad.
1. Obtención y preparación de las materias primas.
Su
obtención se lleva acabo en canteras o minas a cielo abierto, donde los
materiales blandos como las arcillas se obtienen por excavación y los
materiales duros como las calizas mediante perforación o voladura, taqueo y
trituración.
Las
materias primas extraídas en la cantera por voladuras, se trituran en
machacadoras de mandíbulas hasta un tamaño de 20-25 mm.
El
material triturado debe secarse dado que su humedad dificulta la
posterior
molienda. Posteriormente la mezcla de materias primas y de correctores, en su
caso, perfectamente dosificada para que el contenido en óxidos sea el preciso
para el tipo de cemento que se ha de fabricar, y molida recibe el nombre de
crudo y con ella se alimenta el horno.
2. Cocción
La
cocción del crudo se realiza en hornos rotatorios ligeramente inclinados que
están formados por un tubo cilíndrico de acero revestido interiormente de
material refractario cuya longitud alcanza hasta 150 m y cuyo diámetro puede
sobrepasar los 4.5m. Produciéndose las siguientes reacciones:
Arcilla
+ calorÆarcilla activada + agua
Caliza
+ calorÆ CaO + CO2
En
el horno, el crudo se transforma por cocción, hasta la sinterización, en
clinker.
3. Molienda
El
clinker y el yeso (sulfato de calcio dihidrato) que actúa como regulador de
fraguado se muelen conjuntamente a un grado de finura elevado en molino de
cemento, la proporción de yeso a emplear depende del contenido de aluminato
tricálcico. Aparte de estos dos componentes fundamentales pueden adicionarse al
molino puzolanas a naturales, cenizas volantes, humo de sílice, escorias
siderúrgicas, caliza, etc.
Cuando
se pretendan conseguir cementos de características especiales frente a
determinados medios, así como mejorar el balance energético del proceso de
fabricación.
Pueden
añadirse también aditivos que en cantidades inferiores al 1% se pueden utilizar
eventualmente para facilitar el proceso de fabricación del cemento, los
aditivos no deben perjudicar las propiedades y comportamientos de los morteros
y concretos. Los molinos de cemento son molinos de bolas que similares a los de
crudo, llevan un estricto control de
temperatura.
4.- Suministro, Recepción y
Almacenamiento
Si se trata de sacos, éstos deben
llevar impreso en una de sus caras el tipo y clases de cemento, así como la
marca comercial y, eventualmente, las restricciones de empleo.
La toma de muestras y los ensayos de
recepción deben llevarse a cabo según indique la norma. Si el cemento posee un
sello o marca de conformidad oficialmente homologado, la Dirección Facultativa
puede eximirlo de los ensayos de recepción.
Cuando el cemento experimenta un
almacenamiento prolongado, puede sufrir alteraciones consistentes en la
hidratación de sus partículas más pequeñas (meteorización), que pierden así su
valor hidráulico.
Esto se traduce en un retraso en los
tiempos de fraguado y en una disminución de las resistencias mecánicas,
especialmente las de compresión a cortas edades. La meteorización del cemento
se traduce también en un aumento de la pérdida al fuego, correspondiente a las
partículas finas meteorizadas. Este ensayo es el que detecta la meteorización
de forma más directa y cuantitativamente expresiva.
A veces puede utilizarse un cemento
ligeramente meteorizado, pero teniendo en cuenta sus nuevas características: su
distinta granulometría, su retraso en el fraguado y su eventual pérdida de
resistencias mecánicas. Al desaparecer los finos, disminuyen el calor de
hidratación y la retracción en las primeras edades, requiriendo tanta más agua
de amasado cuanto mayor haya sido el proceso de meteorización.
Conclusión
El concreto con materia estructural ha sido y es uno de
los elementos más importantes para la construcción en las ultimas décadas adquirió mayor
relevancia siendo requerido para dar mantenimiento o realizar numerosas estructuras, no solo por su rigidez si no por
su versatilidad siendo materia prima para algunas construcciones .
La moderna tecnología del concreto
exige que la estructura del concreto resulte tan resistente como se desee y que
a la vez soporte las condiciones diversas y servicios al que sera sometido durante su vida útil.Para lograr lo anterior se requiere
de los conocimientos del comportamiento de todos los ingredientes que
interviene en el concreto y su correcta dosificación.
