Contenido1.CEMENTO PORTLAND31.1.Concepto31.2.Materias primas
utilizadas en la elaboracin del cemento portland31.3.Fabricacin del
cemento portland61.4.Composicin qumica del cemento
portland71.5.Caractersticas del cemento Portland91.6.Tipos de
cemento Portland101.7.Fraguado y endurecimiento del
cemento111.8.Calor de Hidratacin131.9.Funcin del Yeso141.10. Causa
del endurecimiento del cemento Portland151.11. Almacenamiento del
cemento Portland15Bibliografa16
1. CEMENTO PORTLAND1.1. Concepto: Producto que se obtiene por la
pulverizacin del clinker Portland con la adicin de una o ms formas
de sulfato de calcio. Se admite la adicin de otros productos
siempre que su inclusin no afecte las propiedades del cemento
resultante. Todos los productos adicionales deben ser pulverizados
conjuntamente con el clinker.Elcemento Portlandes
unconglomeranteocementohidrulico que cuando se mezcla conridos,
agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad
de conformar una masa ptrea resistente y duradera
denominadahormign. Es el ms usual en laconstrucciny es utilizado
como aglomerante para la preparacin del hormign (en Hispanoamrica
concreto). Como cemento hidrulico tiene la propiedad defraguary
endurecer en presencia de agua, al reaccionar qumicamente con ella
para formar un material de buenas propiedades aglutinantes.1.2.
Materias primas utilizadas en la elaboracin del cemento portlandEn
la fabricacin de los distintos tipos de cemento portland se
utilizan como materias primas el clinker de cemento portland y
diversos productos naturales (Tierra de diatomeas, tobas volcnicas,
etc.) y artificiales (escoria siderrgica, cenizas volantes,
escorias metalrgicas, etc.), como se muestra en la tabla 1.1La
composicin qumica del CLINKER de cemento portland (o del cemento
portland 62/67 % CaO, 18/24 % SiO2, 4/8 % Al2O3 y 1.5/4.5 % Fe2O3),
teniendo en cuenta solamente a sus cuatro xidos principales, cae
dentro del sistema cuaternario CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3, siendo el xido
mayoritario el CaO, disminuyendo despus en el orden SiO2-Al2O3-
Fe2O3. Esto nos indica que los componentes de las materias primas
deben de ser predominantemente calcreos con cantidades sucesivas ms
pequeas de constituyentes silceos, aluminosos y ferruginosos. Rocas
naturales que tengan los cuatro xidos principales en las
proporciones adecuadas y que, por tanto, no necesiten ninguna
correccin para que mediante su coccin den el clinker, son
extremadamente raras. La eleccin de las materias primas para
fabricar el clinker de cemento Portland cae en una variedad, ms o
menos grande, de rocas de origen natural y en una escala muy
reducida de productos industriales (generalmente subproductos). El
xido mayoritario (CaO) se obtiene normalmente de la calizas
(CaCO3), la cual puede representar sobre el 70-99 % dependiendo de
su calidad (Normalmente el 75-80 %) en peso de las materias primas
a mezclar (Componente principal de las materias primas). Aunque la
caliza (COMPONENTE CALCAREO), en general, contiene como impurezas
cantidades de los otros xidos del sistema cuaternario mencionado,
no los tiene en las proporciones deseadas, por lo que es necesaria
una segunda materia prima para ajustar la proporcin adecuada de
xidos. Esta segunda materia prima usualmente son las arcillas o las
margas (COMPONENTE ARCILLOSO) (Componente secundario o aditivo).
Finalmente, es necesario la adicin de algunos elementos
correctores, principalmente, el hierro. La localizacin de las
fbricas de cemento, usualmente viene determinada por la
disponibilidad de un suministro adecuado de materias primas. La
calidad, uniformidad, cantidad y los posibles problemas de
extraccin, entre los que esta la cantidad de recubrimiento
(estril), que es preciso desmontar y la forma del depsito, deben de
ser establecidos mediante los oportunos estudios, que incluyen
sondeos y anlisis de las muestras obtenidas. As mismo y dado el
gran volumen de material que procesa una fbrica de cementos, estas
deben de estar situadas lo ms cerca posible de las explotaciones,
al objeto de minimizar los gastos de transporte. Lo ideal sera que
en la misma formacin de caliza o en las inmediaciones existieran
las arcillas o el componente arcilloso necesario.Finalmente hay que
resaltar que, generalmente, para fabricar una tonelada de cemento
son necesarias 1.6 toneladas de materias primas
aproximadamente.
Tabla 1.1. Materias primas para la fabricacin del
cemento.Materias primas para la fabricacin del clinkerMaterias
primas para convertir el clinker en cemento
1.3. Fabricacin del cemento portlandLa fabricacin del cemento
Portland se da en tres fases: preparacin de la mezcla de las
materias primas, produccin delclinkery preparacin delcemento.Las
materias primas para la produccin del portland son minerales que
contienen: xido de calcio(44%), xido de silicio(14,5%), xido de
aluminio(3,5%), xidos de hierro(3%) xido de manganeso(1,6%).La
extraccin de estos minerales se hace en canteras, que
preferiblemente deben estar prximas a la fbrica. Con frecuencia los
minerales ya tienen la composicin deseada; sin embargo en algunos
casos es necesario agregararcilla, o biencarbonato de calcio, o
bien minerales de hierro,bauxita, u otros minerales residuales de
fundiciones.La mezcla es calentada en unhornoespecial, con forma de
un gran cilindro (llamadokiln) dispuesto casi horizontalmente, con
ligera inclinacin, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo
largo del cilindro hasta llegar a unos 1400C, que hace que los
minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.Esquema
de un horno
En la zona de menor temperatura, elcarbonato de calcio(calcreo
ocaliza) se disocia enxido de calcioydixido de carbono(CO2). En la
zona de alta temperatura el xido de calcio reacciona con los
silicatos y formasilicatos de calcio(Ca2Si y Ca3Si). Se forma
tambin una pequea cantidad de aluminato triclcico (Ca3Al) y
ferroaluminato tetraclcico (Ca4AlFe). El material resultante es
denominadoclnker. Elclnkerpuede ser conservado durante aos antes de
proceder a la produccin delcemento, con la condicin de que no entre
en contacto con elagua. La energa necesaria para producir
elclnkeres de unos 1700juliosporgramo, pero a causa de las prdidas
de calor el valor es considerablemente ms elevado. Esto comporta
una gran demanda de energa para la produccin del cemento y, por
tanto, la liberacin de gran cantidad dedixido de carbonoen la
atmsfera, un gas deefecto invernadero.Para mejorar las
caractersticas del producto final al clnker se agrega
aproximadamente el 2% deyeso(aljez) y la mezcla es molida
finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su
uso.1.4. Composicin qumica del cemento portland Se ha visto que las
materias primas utilizadas en la fabricacin de cemento Portland
consisten principalmente de cal, slice, almina e hierro (tabla No.
1.2).
Tabla No. 1.2 Lmites de composicin aproximados para cemento
Portland
Estos compuestos interactan en el horno, para formar una serie
de productos ms complejos, hasta alcanzar un estado de equilibrio
qumico, con la excepcin de un pequeo residuo de cal no combinada
(CaO), que no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar. Sin
embargo, el equilibrio no se mantiene durante el enfriamiento, y la
velocidad de ste afecta el grado de cristalizacin y la cantidad de
material amorfo, conocido como vidrio, difieren considerablemente
de las de compuestos cristalinos de una composicin qumica nominal
similar. Otra complicacin aparece debido a la interaccin de la
parte lquida del clinker con los compuestos cristalinos ya
presentes.No obstante, se puede considerar que el cemento se
encuentra en un estado de equilibrio congelado, es decir, que los
productos congelados reproducen el equilibrio existente durante la
temperatura de formacin del clinker. De hecho, se hace esta
suposicin para calcular la composicin de compuestos de los cementos
comerciales; la composicin "potencial" se calcula a partir de las
cantidades medibles de xidos que estn presentes en el clinker, como
si se hubiera producido una cristalizacin completa de los productos
en equilibrio.Se suelen considerar cuatro compuestos como los
componentes principales del cemento; se enumeran en la tabla No.
1.3, junto con sus smbolos de abreviacin. Esta anotacin abreviada,
utilizada por los qumicos del cemento, describe cada xido con una
letra, a saber: CaO = C ; SiO2 = S ; Al2O3 = A ; y Fe2O3 = F.
Anlogamente, el H2O del cemento hidratado se indica por una H.
Tabla No. 1.3 Compuestos principales del cemento Portland
En realidad los silicatos que se encuentran en el cemento no son
compuestos puros, pues contienen pequeas cantidades de xidos en
soluciones slidas. Estos xidos tienen efectos importantes en los
ordenamientos atmicos, las formas cristalinas y las propiedades
hidrulicas de estos silicatos.El silicato diclcico (C2S) endurece
lentamente y contribuye en gran parte al aumento de resistencia a
edades mayores de una semana, se considera que a los 180 das ha
reaccionado aproximadamente un 50% nicamente.El silicato triclcico
(C3S) endurece rpidamente y es el factor principal del fraguado
inicial y del rpido endurecimiento. En general, la resistencia
prematura (durante el primer mes) del cemento es mayor al aumentar
los porcentajes de C3S.El aluminato triclcico (C3A) libera una gran
cantidad de calor durante los primeros das de endurecimiento, en la
primera semana se hidrata casi completamente contribuyendo
ligeramente con la resistencia temprana. Su principal funcin es
facilitar la reaccin de la slice con la cal. Los cementos con un
bajo contenido de C3A son especialmente resistentes a los suelos y
aguas que contengan sulfatos.La formacin del aluminoferrito
tetraclcico (C4AF) reduce la temperatura de calcinacin en el horno
rotatorio, ayudando, por tanto, a la fabricacin del cemento. Se
hidrata con relativa rapidez (a los tres das casi en su totalidad),
pero contribuye muy poco a la resistencia.Los clculos de composicin
potencial del cemento Portland basados en el trabajo de R.H.Bogue y
otros investigadores, se denominan generalmente como "composicin
Bogue". Existen adems otros mtodos para calcular la composicin,
pero el tema queda fuera del alcance del presente captulo.Fuera de
los compuestos principales citados en la tabla No. 1.3, existen
algunos "compuestos menores" como: MgO, TiO2, Mn2O3, K2O y Na2O,
que generalmente no sobrepasan de un pequeo porcentaje de la masa
del cemento. Dos de los componentes menores revisten especial
inters: Los xidos de sodio y potasio, Na2O y K2O, conocidos como
"lcalis" (aunque en el cemento existen tambin otros lcalis). Se ha
encontrado que estos componentes reaccionan con algunos agregados y
que los productos de esa reaccin ocasionan una desintegracin del
concreto, adems de afectar la rapidez con que el cemento adquiere
resistencia. Debido a esto, se debe destacar que el trmino
"compuesto menor" se refiere principalmente a la cantidad, pero no
necesariamente a su importancia. La cantidad de lcalis yMn2O3 puede
determinarse rpidamente utilizando un espectrofotmetro.
1.5. Caractersticas del cemento Portland Resistencia: la
resistencia a la compresin es afectada fuertemente por la relacin
agua/cemento y la edad o la magnitud de la hidratacin. Durabilidad
y flexibilidad: ya que es un material que no sufre deformacin
alguna. El cemento es hidrulico porque al mezclarse con agua,
reacciona qumicamente hasta endurecer. El cemento es capaz de
endurecer en condiciones secas y hmedas e incluso, bajo el agua. El
cemento es notablemente moldeable: al entrar en contacto con el
agua y los agregados, como la arena y la grava, el cemento es capaz
de asumir cualquier forma tridimensional. El cemento (y el hormign
o concreto hecho con l) es tan durable como la piedra. A pesar de
las condiciones climticas, el cemento conserva la forma y el
volumen, y su durabilidad se incrementa con el paso del tiempo. El
cemento es un adhesivo tan efectivo que una vez que fragua, es casi
imposible romper su enlace con los materiales tales como el
ladrillo, el acero, la grava y la roca. Los edificios hechos con
productos de cemento son ms impermeables cuando la proporcin de
cemento es mayor a la de los materiales agregados. El cemento
ofrece un excelente aislante contra los ruidos cuando se calculan
correctamente los espesores de pisos, paredes y techos de
concreto.
1.6. Tipos de cemento PortlandA medida que varan los contenidos
de C2S, C3S, C3A, C4AF se modifican las propiedades del cemento
Portland, por lo tanto se pueden fabricar diferentes tipos con el
fin de satisfacer ciertas propiedades fsicas y qumicas para
situaciones especiales. CEMENTO PORTLAND TIPO 1: Es el destinado a
obras de hormign en general, al que no se le exigen propiedades
especiales. CEMENTO PORTLAND TIPO 1-M: Es el destinado a obras de
hormign en general, al que no se le exigen propiedades especiales
pero tiene resistencias superiores a las del tipo 1. CEMENTO
PORTLAND TIPO 2: Es el destinado en general a obras de hormign
expuestas a la accin moderada de sulfatos y a obras donde se
requiera moderado calor de hidratacin. CEMENTO PORTLAND TIPO 3: Es
el que desarrolla altas resistencias iniciales. CEMENTO PORTLAND
TIPO 4: Es el que desarrolla bajo calor de hidratacin. CEMENTO
PORTLAND TIPO 5: Es el que ofrece alta resistencia a la accin de
los sulfatos. CEMENTO PORTLAND CON INCORPORADORES DE AIRE: Son
aquellos a los que se les adiciona un material incorporador de aire
durante la pulverizacin; para identificarlos se les coloca una "A"
as por ejemplo cemento Portland tipo 1-A o tipo 3-A, etc. CEMENTO
PORTLAND BLANCO: Es el que se obtiene con materiales debidamente
seleccionados que le confieren una coloracin blanca.Tabla No. 1.4
Composicin tpica calculada de los diferentes tipos de cemento
Portland
La resistencia relativa de los concretos hechos con los
diferentes tipos de cemento Portland, tomando como base para la
comparacin el cemento Portland tipo 1, se muestra a continuacin.
Estos valores son caractersticos para los concretos con curado
hmedo hasta el momento en que se prueban.Tabla No. 1.5 Resistencia
relativa aproximada del concreto segn el tipo de cemento
Portland.
1.7. Fraguado y endurecimiento del cementoFraguado se refiere al
paso de la mezcla del estado fluido o plstico al estado slido.
Aunque durante el fraguado la pasta adquiere alguna resistencia,
para efectos prcticos es conveniente distinguir el fraguado del
endurecimiento, pues este ltimo trmino se refiere al aumento de
resistencia de una pasta de cemento fraguada.El fraguado es causado
por una hidratacin selectiva de los componentes principales. El C3A
puro al entrar en contacto con agua presenta una reaccin muy
violenta y lleva a un inmediato endurecimiento, esto produce un
aspecto desfavorable en el cemento debido a que las mezclas
endureceran a muy corto plazo y no podran ser transportadas y
colocadas sino con muchos problemas. Para prevenir esto, al clinker
se le agrega yeso (CaSO4.2H2O); el C3A y el yeso reaccionan para
formar un compuesto inestable e insoluble llamado sulfoaluminato de
calcio (3CaO.AL2O3.3CaSO4.31H2O). Posteriormente, los silicatos
empiezan a hidratarse y comienza por consiguiente a fraguar
formando una pasta de consistencia semislida (fraguado inicial);
luego el sulfoaluminato de calcio se descompone lentamente dejando
libre al C3A que se hidrata conjuntamente con el C4AF dndole a la
pasta una consistencia slida produciendo de esta forma el fraguado
final.En la prctica se utilizan los trminos de fraguado inicial y
fraguado final para describir etapas del fraguado elegidas
arbitrariamente. Los tiempos de fraguado de la pasta, se emplean
como control de calidad del cemento. Falso fraguado: Se da el
nombre de falso fraguado a una rigidez prematura y anormal del
cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos despus de
haberlo mezclado con agua.El falso fraguado se pone en evidencia
por una gran prdida de plasticidad, sin generar mucho calor poco
despus de haberse realizado la mezcla. Cuando esta pasta endurecida
se remezcla, sin adicionar agua, su plasticidad se recupera y
fragua normalmente sin prdida de resistencia.Si por el contrario,
la mezcla no recupera su plasticidad y desprende calor en forma
apreciable se dice que lo que ocurri fue un fraguado relmpago, o
sea un verdadero fraguado pero en muy corto tiempo.Un falso
fraguado muy marcado puede causar dificultades desde el punto de
vista de la colocacin y manipulacin, pero esto no es probable donde
el concreto se mezcla generalmente por un tiempo largo, como ocurre
en un camin mezclador, o cuando ste es remezclado antes de
colocarlo o transportarlo, como sucede en operaciones de concreto
bombeado. Esto debe ser ms digno de atencin cuando se mezcla por un
tiempo corto en mezcladoras fijas y se transporta en equipos sin
agitador, como sucede en algunos tipos de obras.El falso fraguado
es motivado generalmente por deshidratacin del yeso cuando se
mezcla con un clinker demasiado caliente (mayor a 120oC), se
produce hemihidrato (CaSO4.2H2O) o anhidrita (CaSO4) y cuando se
mezcla el cemento con el agua, estos compuestos se hidratan para
formar yeso. Para evitar la deshidratacin del yeso, en la prctica
normal se enfra el clinker antes de la molienda.Otra causa del
falso fraguado puede asociarse con los lcalis del cemento; al
almacenarse el cemento, los lcalis pueden carbonatarse y los
carbonatos alcalinos reaccionan con Ca(OH)2 liberado por la
hidrlisis del C3S para formar CaCO3, este precipita e induce a una
rigidizacin de la pasta.El fraguado relmpago se debe principalmente
a falta de yeso al molerse clinker y yeso; el C3A presente en el
clinker, al no haber yeso entra en contacto con el agua
reaccionando rpidamente, produciendo el endurecimiento de la
pasta.
1.8. Calor de Hidratacin El calor de hidratacin es el calor
generado cuando reaccionan el cemento y el agua. La cantidad de
calor generado depende principalmente de la composicin qumica del
cemento; a tasa de generacin de calor la afecta la finura y
temperatura de curado, as como la composicin qumica.De acuerdo con
las reacciones qumicas, la hidratacin de compuestos del cemento es
exotrmica, y pueden liberar hasta 500 joules por gramo (120
caloras/gramo). Puesto que la conductividad del concreto es
relativamente baja, acta como aislante, y en el interior de una
masa grande de concreto, la hidratacin puede producir un fuerte
aumento en temperatura. Al mismo tiempo, la masa exterior del
concreto pierde algo de calor, de modo que se produce un fuerte
gradiente de temperatura y durante el enfriamiento posterior del
interior, pueden producirse graves agrietamientos. Esto es
especialmente importante en estructuras como aquellas de gran masa,
donde la rapidez y la cantidad de calor generado son importantes;
si no se disipa este calor rpidamente, puede ocurrir una importante
elevacin de temperatura en el concreto, lo cual puede resultar
inconveniente al ir acompaada de una dilatacin trmica. El
enfriamiento posterior del concreto endurecido a la temperatura
ambiente puede crear contracciones en la masa conocidas como
retraccin de fraguado, y originar esfuerzos perjudiciales. En el
otro extremo, el calor producido por hidratacin puede impedir el
congelamiento del agua en los capilares de concreto recientemente
aplicado, en aguas heladas y es, por lo tanto, ventajoso que haya
una fuerte dispersin de calor. Sin duda, es aconsejable conocer las
propiedades productoras de calor de diferentes cementos para poder
elegir el cemento ms adecuado para cada finalidad.Para efectos
prcticos no importa necesariamente el calor total de hidratacin
sino la velocidad de desarrollo del calor. La misma cantidad total
de calor producida en un perodo mayor, puede dispersarse en mayor
grado, con menor aumento consecuente de la temperatura. Para
variedades usuales del cemento Portland, Bogue observ que
aproximadamente una mitad de calor total se libera entre uno y tres
das; aproximadamente 3/4 en 7 das y 83 al 91 por ciento del total
del calor en 6 meses. De hecho el calor de hidratacin depende de la
composicin qumica del cemento, y el calor de hidratacin del cemento
es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratacin de
los compuestos individuales, hidratados por separado.El calor de
hidratacin es la cantidad de calor en caloras por gramo de un
cemento deshidratado, dispersado por una hidratacin completa a una
temperatura dada. El mtodo ms comn para medir el calor de
hidratacin consiste en determinar el calor de solucin de cemento
deshidratado e hidratado en una mezcla de cido ntrico y
fluorhdrico; la diferencia entre estos dos valores representa el
calor de hidratacin.En la tabla No. 1.6 se muestra la cantidad de
calor de hidratacin, liberado por cada uno de los compuestos
principales puros, a diferentes edades. En la tabla No. 1.7 se
consigna el calor de hidratacin, generado por los diferentes tipos
de cemento Portland, expresado en porcentaje respecto al cemento
Portland tipo 1 que se ha tomado como base.Tabla No. 1.6 Calor de
hidratacin de los compuestos principales puros.
Tabla No. 1.7 Calor de hidratacin de para los diferentes tipos
de cemento.
1.9. Funcin del YesoElyeso, oaljez, se agrega generalmente al
clnker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado
se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el
aluminato triclcico para formar una sal expansiva llamada
'estringita'.3 CaOAl2O3+ 3 CaSO42H2O + 26 H2O
3CaOAl2O33CaSO432H2O
1.10. Causa del endurecimiento del cemento Portland Cuando el
cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de
caractersticas plsticas con propiedades adherentes que solidifica
en algunas horas y endurece progresivamente durante un perodo de
varias semanas hasta adquirir suresistencia caracterstica. El
endurecimiento inicial es producido por la reaccin delagua,yesoy
aluminato triclcico, formando una estructura cristalina de
calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.El sucesivo
endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensin
derivan de la reaccin ms lenta del agua con elsilicato
triclcicoformando 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 ltima reaccin produce el gel deslice(SiO2). Las tres
reacciones generan calor.Con el agregado de materiales particulares
al cemento (carbonato de calcio (calcreo)) ocal) se obtiene
elcemento plstico, que fragua ms rpidamente y es ms fcilmente
trabajable. Este material es usado en particular para el
revestimiento externo de edificios.1.11. Almacenamiento del cemento
PortlandEl cemento Portland que se mantiene seco conserva sus
cualidades indefinidamente. El cemento almacenado en contacto con
la humedad fragua ms despacio y desarrolla menos resistencia que el
cemento seco. El aire de la bodega donde se almacene el cemento
debe estar tan seco como sea posible, debern taparse todas las
grietas y aberturas. Los sacos de cemento no se deben almacenar
sobre suelos hmedos, se deben colocar sobre plataformas que pueden
ser de madera. Los sacos de cemento se debern estibar juntos para
reducir la circulacin de aire, pero no se deben apoyar contra los
muros.Los sacos que se van a almacenar durante largos perodos se
deben cubrir con lonas u otras cubiertas impermeables. Cuando se
use el cemento, deber fluir libremente y no contener terrones. Si
los terrones no se rompen con facilidad o la calidad del cemento es
dudosa, se deber ensayar el cemento mediante las pruebas de:
finura, tiempos de fraguado y resistencia, los resultados se
compararn con los valores especificados.
BibliografaL., I. G. (08 de 11 de 06). Unicauca. Obtenido de
ftp://ftp.unicauca.edu.co/cuentas/geanrilo/docs/FIC%20y%20GEOTEC%20SEM%202%20de%202010/Tecnologia%20del%20Concreto%20-%20%20PDF%20ver.%20%202009/Cap.%2001%20-%20Materiales%20conglomerantes.pdfUniovi.
(s.f.). Obtenido de uniovi:
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion9.CEMENTOS.MateriasPrimas.pdfWikipedia.
(25 de Junio de 2013). Wikipedia. Obtenido de
http://es.wikipedia.org/wiki/Conglomerante
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