folleto cemento2

[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS] TECNOLOGÍA DE MATERIALES

1 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO VIII

CEMENTO

Se denomina cemento a un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla

calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecer al contacto con el

agua. 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 y el Caribe hispano) o concreto (en México y Sudamérica). Su uso está

muy generalizado en construcción e ingeniería civil.

1. CEMENTO PORTLAND: El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que

cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la

propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el

más usual en la construcción utilizada como aglomerante para la preparación del hormigón o

concreta. Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de

agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades

aglutinantes. Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El

nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de

Pórtland, en el condado de Dorset. A diferencia de cómo muchos creen, su origen no está

relacionado con Portland, Oregón, EEUU.

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA: El cemento obtenido tiene una composición del tipo:

64% óxido de calcio

21% óxido de silicio

5,5% óxido de aluminio

4,5% óxido de hierro

2,4% óxido de magnesio

1,6% sulfatos

1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.

Las materias primas que se usan para la fabricación del clinker, aportan con 4

óxidos fundamentales: SiO2, Al2O3, Fe2O3 y CaO, mientras que el MgO, Na2O, y

K2O, pueden considerarse como accidentales debido a su pequeño porcentaje.

Por consiguiente, la composición química del clinker se presenta por medio

del sistema cuaternario:

CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3

A continuación se describen brevemente a los óxidos de la siguiente manera:

OXIDO DE CALCIO: Se ha descrito al estudiar la cal.

DIÓXIDO DE SILICIO: Se encuentra en abundancia en la naturaleza, formando parte

de los silicatos, en las variedades cristalizadas cuarzo ß, tridimita r, cristobalita ß y en

forma vitrea en la silicie fundida. La sílice pura o cuarzo ß, establece a la temperatura



ordinaria, se transforma a 573 °C en cuarzo α,

cristalizando en prismas hexagonales ( densidad: 2,65 y

dureza: 2,7 ); a 870 °C se obtiene la tridimita α, de las que

existen la variedad α, β y r ( densidad: 2,28 ) y a 1 470 °C se

forma la cristobalita α ( densidad: 2,33 ), se funde a 1 710 °C (

densidad: 2,20 ) , ocupando este cuarzo vítreo un volumen

mayor que el cuarzo β. Para que el cuarzo se transforme en

tridimita y cristobalita hay que calentar muy despacio, pues

ordinariamente a los 1 600 °C. Forma una masa vítrea

pastosa que no cristaliza al enfriarse. Aunque la Sílice sea químicamente inerte a la

temperatura ordinaria, reacciona enérgicamente con las bases, a temperaturas elevadas,

formando los silicatos. El bióxido de silicio, a pesar de no unirse directamente con el agua se

le considera como anhídrido, formando gases del ácido silícico que, aunque no se hayan

aislado, se les puede considerar como hidratos SiO2.H2O ó SiO3H2 (ácido metasilícico), y el

SiO2, 2H2O ó SiO4H4 ( ácido ortosilícico ), aun con más moléculas de agua y bióxido de silicio

se forman compuestos muy complejos.

OXIDO DE ALUMINIO: Llamado también alumina, se encuentra en la naturaleza en forma de

corindón incoloro, se funde a 2 505 °C, cristalizando en numerosas formas por

enfriamiento. Tiene una densidad de 4 y un a dureza de 9 en la escala de Mohs. La alumina se

halla combinada en la arcilla (2SiO2Al2O3.2H2O) y la eliminación de la sílice da origen a la

formación de dos óxidos hidratados, el diásporo (Al2O3. H2O), y la hidrargirita ó gibsita (Al2O3.

3H2O), siendo la bauxita

OXIDO FÉRRICO: Es muy abundante en la naturaleza, constituyendo el mineral de

hierro llamado oligisto y hematites roja. En el cemento Pórtland se encuentra en dosis

pequeñas, pues provienen de las impurezas de las arcillas, pero en los cementos aluminosos

alcanzan proporciones importantes procediendo de la bauxita. Este oxido da el color al

cemento. Se parece a la alumina, cambiándose principalmente con la cal. Existen dos óxidos

férricos hidratados amorfos, uno de color amarillo y el otro rojizo de fórmula: Fe(OH)3.H2O.

Los componentes minoritarios del cemento, también tiene una libera importancia en el

proceso de fabricación así como en las propiedades fisicoquímicas del cemento, a

continuación se detallan algunos de ellos:

El contenido de MgO (óxido de magnesio): Cuando es superior al 5% en el clinker, el

cemento puede ser ya expansivo. Se debe este fenómeno a que el MgO en pequeña proporción

dentro del sistema SiO2– CaO–Al2O3 no reacciona durante la clinkerización, quedándose como

tal MgO. Este oxido magnésico reacciona con el agua con un importante retraso, incluso de

meses, con respecto al fraguado y endurecimiento. Como que esta reacción es semejante a la

de la hidrolisis del CaO, es decir, es exotérmica, da lugar a un importante aumento de volumen

y generación de calor produciendo la expansión o rotura del aglomerante.

El contenido de Na2O y K2O: El óxido de sodio (Na2O)y el óxido de potasio (K2O) se le conoce

con el nombre de álcalis ( aunque en el cemento existen también otros álcalis). Se ha



encontrado que estos compuestos reaccionan con algunos agregados con afinidad química.

Como la cantidad de álcalis depende tan solo del cemento, su concentración en la superficie

reactiva del agregado dependerá de la magnitud de estas superficies. El contenido mínimo de

álcalis del cemento con el cual puede haber una reacción expansiva es de 0.6% expresado en

oxido de sodio. Este porcentaje se calcula mediante estequiometria como el contenido real de

Na2O más 0.658 por el contenido de K2O del clinker. Sin embargo, en casos excepcionales se

han observado cementos con menor contenido de álcalis que causan expansión de un

concreto elaborado con un agregado reactivo dado es mayor al elevarse el contenido alcalino

del cemento y, para una misma composición de cemento, al elevarse su finura.

El contenido en SO3: El contenido en anhídrido sulfúrico decide la calidad del cemento

Pórtland por varios motivos: cuando su valor en porcentaje está fuera de un estrecho margen

(entre 2 y 4 %) afecta el tiempo de fraguado. Cuando es menor, el fraguado puede ser muy

rápido, como consecuencia del escaso afecto retardador. Cuando su valor es de 6 a 10% inhibe

el fraguado, no existiendo ni afecto expansivo se produce cuando el contenido en SO3 excede

del 4 al 4.5%, según la finura del cemento.

El contenido de Cal Libre (C.L.): Debe ser inferior al 2%, dada la expansión de volumen que

produce su hidrólisis que provocaría un efecto destructivo.

El residuo insoluble (R.I.): El residuo insoluble es la cantidad de material que no se disuelve

en ácido clorhídrico (HCl) al 10%. Incluso lo es el yeso, por lo que un cemento, sin adiciones

de otros materiales distintos a la caliza, como son las rocas básicas, puzolanas, cuarzos,

feldespatos, etc., da un valor de R. I de alrededor de un 0.5%. Al aumentar el R. I disminuyen

las resistencias, a no ser que esta disminución sea simultáneamente contrarrestada por la

mejora de otras variables, por ejemplo, aumentándola finura del cemento. Los tipos de

cementos especiales como puzolánicos o cenizas volantes, poseen elevados residuos

insolubles.

La pérdida al fuego (P.F.): Esta determinación analítica se verifica normalmente a la

temperatura de 950 °C 10°C y es a esta temperatura en la que se ha conseguido la

descarbonatacion del carbonato cálcico (CaCO3), que eventualmente puede estar presente en

el cemento y, por consiguiente, mide la cantidad de anhídrido carbónico (CO2) de los

carbonatos presentes o la absorbida por meteorizacion, así como la cantidad de agua de

hidratación incorporada al aglomerante por la misma causa. El valor de la pérdida al fuego

nos da la idea del estado de meteorización de un cemento, el agua giroscópica presente en la

atmósfera, adicionada al cemento puede llegar a hidrolizar previamente los silicatos y por

tanto, es tan necesario comprobar este valor en los cementos almacenados antes de su puesta

en obra.

El contenido de óxido de manganeso (Mn3O3) y El óxido de titanio (TiO2): El primero no

tiene significación especial en las propiedades del cemento, salvo en su coloración, que tiende

a ser marrón si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los



contenidos superan el 5% se obtiene disminución de resistencia a largo plazo. El óxido de

titanio influye en la resistencia, reduciéndola para los contenidos superiores al 5%. Para

contenidos menores no tiene mayor trascendencia.

El contenido de P2O5: Influye como perturbador en la cristalización de las fases en cantidad

que superan el 0.5%.

3. FABRICACIÓN DEL CEMENTO:

Los materiales principales con los que se fabrica el cemento son: un material calcáreo (Piedra

caliza, greda o marga), y un material arcilloso (arcilla, pizarra), materiales que contengan

sílice. Las materia primas finamente molidas e íntimamente mezcladas, se calientan hasta

principio de la fusión (alrededor de 1500 °C), usualmente en hornos giratorios. Al material

parcialmente fundido que sale del horno se le denomina clinker. El clinker enfriado y molido a

polvo muy fino es lo que constituye el cemento Pórtland. Durante la molienda se agrega una

pequeña cantidad de yeso para controlar las propiedades de fraguado.



a. MATERIAS PRIMAS:

Calizas(CaCo3)

Fundamentales

Crudo o harina

Arcillas – Margas (Sílice).

Bauxita (Al).

b. PROCESO:

Extracción de la cantera: trituración, criba.

Molino Crudo: Precalentamiento.

Horno de Clinker: enfriamiento.

Molino cemento: adiciones.

Expedición.

Para los cementos con aire incluido el material necesario para impartir las propiedades del

aire incluido se añade se añade durante la molienda del clinker.

c. FASES:

Desecación (precalentamiento) <900ºC. Se descompone la calcita. Deshidratación de las

arcillas. Se forman los óxidos de hierro.

Calefacción. <1100ºC. 1er Etapa. sinterización: Formación: AF4C; A3C; F2C; Comienzo: S2C

(silicato dicálcico).

Calcinación. <1500ºC. 2do Etapa. sinterización: Formación: S2C + CaO = S3C (Silicato

tricálcico), que es lo que le da al cemento la resistencia inicial.

Reacción (Enfriamiento: Se realiza un enfriamiento brusco evitando así la descomposición, ya

que el silicato tricálcico es muy inestable.

Molturación: Ya se le puede llamar cemento, y pasa por una molturación o amasado donde se

le añaden las adiciones.

4. MÓDULOS DE LOS CEMENTOS

Módulo de fundente o módulo de alúmina: Es el módulo o parámetro que nos fija la

composición, cualitativa y cuantitativa de la fase fundida.

El módulo de fundentes, es un valor que no afecta a las resistencias a largo plazo,

sino tan solo a las resistencias iníciales cuando es elevado. Influye sobre la mayor o menor

facilidad de clinkerización por su acción sobre la viscosidad de la fase liquida a alta



temperatura. Al disminuir su valor, como se consigue normalmente por una adición al crudo

de 1% a 2% de Fe2O3, disminuye la temperatura de combinabilidad del clinker; en igualdad

de composición deja más CaO disponible aumentando el contenido de silicatos y

disminuyendo el contenido de aluminato tricálcico (C3A). Este es la base para la elaboración

de cementos especiales resistentes a la acción agresiva de los sulfatos, limitando el contenido

de C3A, entre 3% y 5%. Cuando el M.F., es igual a 0.64, todo el óxido de aluminio

forma el ferroaluminato tetracálcico (C4AF), en cuyo caso no cristaliza prácticamente el C3A.

Este tipo de clinker, constituye el fundamento de los cementos resistentes a los sulfatos.

Módulo Hidráulico: Es la relación entre el óxido de calcio y los demás componentes óxidos

primarios del cemento.

El valor óptimo del módulo Hidráulico, para obtener altas resistencias, es el

comprendido entre 1.8 y 2.2. Cuando este valor es inferior a 1.8, el aglomerante tiene

resistencias muy bajas y cuando el valor es superior a 2.2, el aglomerante, una vez puesto en

obra, sufre al cabo de pocos días o semanas un fenómeno de agrietamiento por

expansión, formando grietas centrífugas.

Módulo de los Silicatos: El valor límite aproximado es:

Cuanto más elevado sea el módulo de silicatos, dentro de su variación normal de 1.8 a 3.5,

mayor contenido total de silicatos tricálcico (C3S ) y silicato bicálcico ( C2S ) se tendrá en el

clinker o cemento, así como un mayor potencial de resistencia a cualquier plazo. Los valores

favorables están entre 2.2 y 2.6 a veces también se hallan valores más altos, por ejemplo, de 3

hasta 5 y hasta más elevados, precisamente para cementos de alta riqueza en sílice y en los

cementos blancos. De modo general, los valores que se presentan son más bajos, por ejemplo

entre 2 y 1.5 módulo de silicato creciente implica empeoramiento de las condiciones de

cocción del clinker por descenso de fase líquida y baja tendencia de formación de costra.

Además de ello, los cementos con módulo de silicatos altos suponen cementos de fraguado y

endurecimiento lento. Por descenso del módulo de silicatos crece la cuantía de fase líquida;

esto condiciona la buena aptitud a la cocción del clinker y a la formación de costra.

Módulo de silicio: Mussgung llamó módulo silícico a la relación SiO2/Al2O3. En la cocción del

clinker de horno rotatorio se obtienen buenas condiciones de formación de costra en la zona

de cocción si el valor de este cociente está situado entre 2.5 y 3.5 y si simultáneamente, el

módulo de alúmina se halla entre los límites de 1.8 a 2.3



Estándar de cal o factores de saturación de cal: El valor límite aproximado es:

El estándar de cal mide el grado de formación de los compuestos cálcicos. Su variación

normal, oscila entre 88 – 97, siendo el límite superior el valor que da lugar a una mayor

cantidad de silicato tricálcico (C3S), en comparación con análogos contenidos en Al2O3 y

Fe2O3 y es, por tanto el más favorable para las resistencias.

5. CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE LOS CEMENTOS

Finura de molido: La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de

hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo

tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la

resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide

por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de

permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430).

Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.

Tiempo de fraguado: Se refiere al fenómeno en que la pasta de cemento se rigidiza hasta que

cambia de un estado plástico a sólido. Es diferente el fraguado al endurecimiento: En el

endurecimiento la pasta adquiere resistencia, en el fraguado no. El fraguado se define

mediante el fraguado inicial y el fraguado final. Las definiciones de fraguado inicial y final son

arbitrarios y basados en el aparato de Vicat o las agujas de Gillmore. Si el cemento está

expuesto a humedad cuando está almacenado, puede ocurrir un falso fraguado, en el cual el

cemento se rigidiza a los pocos minutos de empezar la mezcla.

Hidratación del cemento: Es la reacción química entre las partículas de cemento y el agua.

Muchas reacciones químicas ocurren ya que el cemento tiene muchos compuestos químicos.

Los aluminatos se hidratan más rápido que los silicatos. La reacción del aluminato tricalcio

con el agua es inmediata y libera mucho calor. El yeso se usa para retrasar la velocidad de esta

reacción produciendo iones de sulfato. El balance entre el aluminato y sulfato determina la

velocidad de fraguado. El cemento de fraguado normal tiene poca concentración de aluminato

y sulfato. Permanece manejable por 45min y empieza a solidificarse a las 2-4 horas. Exceso de

aluminato y sulfato la manejabilidad dura aproximadamente 10 min y se solidifica entre 1-2

horas. Alto aluminato con bajo sulfato produce un fraguado rápido (10-45 min) o un fraguado

instantáneo (<10 min). Bajo aluminato y alto sulfato produce también un fraguado

instantáneo. El silicato tricalcio se hidrata más rápido que el silicato dicalcio, contribuyendo al

tiempo de fraguado final y la ganancia de resistencia inicial.



Relación agua – cemento: En 1918 Abrams encontró que la

razón del peso del agua al del cemento (w/c ratio) influía en

todas las propiedades buenas del hormigón. Ley de Abrams:

Para un hormigón totalmente compactado hecho con

agregados buenos y limpios, la resistencia y otras

características buenas se mejoran disminuyendo la cantidad de

agua por unidad de peso de cemento. ¿Porque esto ocurre? La

hidratación requiere apenas 0.22-0.25 kg de agua por kilo de

cemento. Se debe usar más agua para que la mezcla sea

manejable. Esta agua en exceso al evaporarse crean vacios

capilares. Los vacios capilares aumentan la porosidad y la

permeabilidad del hormigón y reducen su resistencia. Una

relación agua-cemento baja también aumenta la resistencia al

medio ambiente, provee una buena adhesión entre capas de

hormigón, provee una buena adherencia entre hormigón y

acero y limita los cambios de volumen debido al secado y

humedecido.

Calor de hidratación: El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías

por gramo de cemento deshidratado, generad o después de una hidratación completa a una

temperatura dada. Para que un cemento se endurezca al esparcirle agua, se necesita una

reacción química, esta reacción química libera calor y seguirá liberando calor (y por lo tanto

ganando resistencia) hasta que cada singular partícula de cemento este hidratada.

6. CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS

De acuerdo a las Normas Técnicas Peruanas (NTP 334.009:2011) y a las internacionales

ASTM, los cementos están clasificados en dos grandes grupos:

a. CEMENTOS PORTLAND COMUNES: La norma C – 150 de la ASTM, clasifica al cemento

Portland común en cinco tipos diferentes, de acuerdo a las proporciones relativas de los

cuatro componentes mineralógicos principales y a las condiciones de uso, los cuales son:



Cemento tipo I o normal: Este tipo para uso general. Se recomienda para construcciones

normales en que no se requieren las propiedades especiales de los otros tipos. Se usa

donde el concreto no va a estar expuesto al ataque de factores específicos, como a los sulfatos

del suelo o del agua, o a aleaciones perjudiciales de temperatura, debido al calor generado en

la hidratación. En el Perú, se fabrican los siguientes cementos tipo I: Pacasmayo, Sol,

Andino, Yura y Rumi.

Cemento Tipo II o Moderado: Este tipo de cemento se fabrica para ser empleado en

construcciones de concreto, las cuales han de estar expuestas al ataque moderado por los

sulfatos (sulfato soluble en el suelo como SO4-2 0.1 – 0.2% o sulfatos en agua: 150 – 1,500

p.p.m. ) o en aquellos casos en que se requiere moderado calor de hidratación. Se caracteriza

por su contenido de C3A menor del 8%. La suma de C3S y C2S asegura una adecuada

resistencia, tanto en el periodo inicial de fraguado como en edades posteriores. Además, de las

propiedades que caracteriza al cemento tipo I, estos cementos presentan menores cambios

de volumen, menor tendencia a la exudación, moderada resistencia al ataque de sulfatos y

menor generación de calor de hidratación. En el Perú, se fabrica únicamente el cemento

Andino Tipo II.

Cemento Tipo III o de rápido Endurecimiento: Este tipo de cemento permite obtener con

rapidez elevadas resistencias, usualmente en una semana o menos. A los 28 días, la

diferencia de Resistencia con el cemento Tipo I, tiende a desaparecer. La alta resistencia

inicial puede lograrse por modificaciones en la dosificación de crudos de la composición

química, a fin de obtener un porcentaje más alto de C3S; o por un incremento en la finura del

cemento, dado que se obtiene una mayor área superficial, la cual expuesta a la acción del

agua dará lugar a una hidratación y endurecimiento más rápidos. Si bien, con inicial más

alta, esta principalmente expuesto a procesos de agrietamiento por contracción por secado.

Igualmente, debido a los altos porcentajes de C3S y C3A, o al mayor grado de finura, la

generación de calor es más alta que en los cementos Tipo I. Este tipo de permite retirar los

moldes o encofrados lo más pronto que sea posible, o cuando la estructura se debe poner en

servicio rápidamente. También se puede usar en climas fríos, pues, su uso, permite reducir el

periodo de curado controlado. En el Perú, no se fabrica este tipo de cemento.

Cemento Tipo IV o De Bajo Calor de Hidratación: Este tipo de cemento se fabrica para ser

empleado donde el grado y la cantidad de calor generado se debe reducirla mínimo, es decir,

en aquellos casos en que se requiere un bajo calor de hidratación. Sus características

principales son: altos porcentajes de C2S y C4AF; lenta generación de calor; buena

resistencia a la acción de los sulfatos; lento desarrollo de resistencia a la comprensión

aunque a edades avanzadas alcanza los mismos valores de los otros tipos de cemento; buena

resistencia al agrietamiento. Este cemento, es especialmente recomendado para ser

usado en circunstancias que requieren grandes masas de concreto, como las grandes presas

de gravedad, donde la elevación producida en la temperatura por el calor generado durante

el endurecimiento es un factor crítico. Dada su lenta velocidad de hidratación, en general, es

inadecuado para la construcción de estructuras normales, dado que requiere un curado de



por lo menos 21 días para obtener un adecuado desarrollo de resistencia a la compresión y

al interperismo. No existe en el mercado nacional.

Cemento Tipo V o Resistente a los Sulfatos: Este tipo de cemento se fabrica para ser

empleado en aquellos casos en que se requiera alta resistencia a la acción de los sulfatos

(sulfatos soluble en agua presente en el suelo como: SO4 = 0.2 – 2% o sulfato en agua: 1,500 –

10,000 ppm. ), la cual se obtiene por un alto contenido de C3A ( menor del 5% ). El contenido

de silicatos cálcicos hace que este tipo de cemento tenga alta resistencia a compresión, aunque

su desarrollo de resistencia aumenta más lentamente que en el cemento Tipo I. El calor

generado durante la hidratación no difiere fundamentalmente del de los cementos

tipo IV. Por sus características es el cemento que más se aproxima al cemento ideal. En el

Perú, existe el cemento Pacasmayo y el Cemento Andino, correspondiente a este tipo.

b. CEMENTO PORTLAND ADICIONADOS

Cemento Adicionado binario: Un cemento adicionado hidráulico que consiste en cemento

Portland con cemento de escoria o cemento Portland con una puzolana.

Cemento Adicionado ternario: Un cemento adicionado hidráulico que consiste en cemento

Portland con una combinación de dos puzolanas diferente, o cemento Portland con cemento

de escoria y una puzolana.

La NTP 334.090 aplica a los siguientes tipos de cementos adicionados que generalmente son

concebidos para el uso indicado: Cementos Portland adicionados para construcción de

concreto en gerenal.

Tipo IS: Cemento Portland con escorias de alto horno.

Tipo IP: Cemento Portland puzolánico.

Tipo I(PM): Cemento Portland puzolanico modificado

Tipo IT: Cemento adicionado ternario

Tipo ICo: Cemento Portland compuesto.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE LOS CEMENTOS PERUANOS



CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS CEMENTOS PERUANOS

7. COMPOSICIÓN MINERALÓGICA DEL CEMENTO

El análisis químico del cemento, en términos de porcentaje de óxidos, tiene poco significado

en lo que respecta a las propiedades del mismo, ya que son los compuestos formados

durante el proceso de fabricación por interacción de los cuatro óxidos fundamentales

mencionados anteriormente, los cuales son los responsables del fraguado y resistencia del

cemento hidratado.

De los cuatro óxidos fundamentales: CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3, uno solo tiene carácter básico:

el óxido de calcio (CaO). Los otros tres se comportan como anhídridos, es decir, con

carácter ácido. Debido a ello, es fácil comprender que en el proceso de formación del

clinker, las materias primas que contengan los cuatro óxidos fundamentales,

formaran compuestos de cal, tales compuestos serán: silicato de calcio, aluminatos de

Calcio y Ferro-Aluminatos de calcio. El óxido de calcio, por consiguiente, satura hasta un

cierto límite los componentes ácidos y para que dicha saturación tenga lugar, las cantidades

de los cuatro componentes principales han de cumplir una serie de reacciones denominadas

módulos. Es decir, la mezcla de caliza, arcilla y otros componentes han de tener una

proporción conveniente de estos.

Durante el proceso de cocción y a distintas temperaturas se forman unos determinados

compuestos mineralógicos, unos primeros, otros después, dentro de un amplio

rango de temperaturas: entre 1000 y 1450°C, aproximadamente. Se puede considerar

que el cemento se encuentra en un EQUILIBRIO CONGELADO, asumiendo que los

productos enfriados producen el equilibrio existente a la temperatura de clinkerizacion.



a. Silicato Tricálcico (C3S): Es el material más importante del clinker y determina la rapidez

del fraguado, la resistencia mecánica y otras propiedades del cemento Pórtland, su cantidad

en el clinker es de 40 a 60%. Se vuelve gelatinoso en pocas horas, generando una cantidad

apreciable de calor de hidratación, que llega a 380J/g, a los 28 días. Su fragua inicial y final se

realiza a pocas horas después del amasado y termina en un periodo inferior a 7 días, por ello,

se le atribuye el rápido desarrollo de las resistencias iníciales. Comercialmente se le

denomina Alita y representa una solución sólida de silicato tricálcico con una pequeña

cantidad (2 a 4%) de MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 y de otras impurezas que pueden influir

considerablemente sobre la estructura y las propiedades. Según Regours y Guinier, en el

intervalo entre la temperatura normal y 1100 °C, el C3S se cristaliza en seis formas poliformas.

La alita se fija en el clinker en forma de una modificación trigonal. Observando

una microfotografía de una placa pulimentada y decapada del clinker, los cristales de alita

tienen, por lo general, forma hexagonal o rectangular. Son preferible los cristales de

forma regular alargada con un tamaño de 0.003 a 0.02 mm, que favorecen las resistencias

mecánicas del cemento. Las mezclas de C3S y agua son menos plásticas que las del cemento

Pórtland, sin embargo, la trabajabilidad se puede mejorar con adición de yeso.

b. Silicato de Bicálcico (C2S): Es el segundo mineral siliceo por su importancia y contenido (10

a 30%) que está constituido el clinker, y que determina las características del

comportamiento de las resistencias a la compresión. Presenta un tiempo de fraguado

incierto, pues, el amasado fragua lentamente en un periodo de algunos días. A diferencia del

silicato tricálcico, su desarrollo de resistencias es lento en las edades iniciales, pero aumenta

con el tiempo hasta una resistencia igual al del C3S, y por lo tanto, es menor su calor de

hidratación, que llega hasta 105 J/g, a los 28 días. La adición de yeso no produce un cambio

notable. En el intervalo entre la temperatura normal y 1500 °C existen cinco formas

cristalinas del C2S. Comercialmente se le denomina belita y en el clinker representa una

solución sólida del silicato bibaltico β (C2S – β ) y de una cantidad pequeña (1 a 3%) de Al2O3,

Fe2O3. MgO, Cr2O3 y otros. Cuando el clinker caliente que salió del horno se enfría

paulatinamente, a una temperatura por debajo de 525 °C, el C2S – β puede transformarse en

C2S – r, con la particularidad de que esta transición va acompañada del aumento de la

distancia de base, es decir la estructura molecular de la belita se vuelve más mullida. En

efecto, la densidad del C2S – β es igual a 3.28 g/cm3, mientras que la el C2S – r es de 2.97

g/cm3, por eso, la transición poliforme provoca un incremento del volumen absoluto de la

belita aproximadamente en el 10%; como resultado, los granos del clinker se desmoronan en

polvo. Podía parecer que la dispersión espontánea facilitaría la trituración del clinker,

pero, por desgracia, el polvo del C2S – r a temperaturas de hasta 100 °C prácticamente no

reacciona con el agua, es decir, no posee propiedades aglomerantes. Por consiguiente,



es necesario impedir que la belita pase a forma r. A la estabilización de la fase el C2S – β

favorecen algunas impurezas: Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 y otras, que se introducen en la red

cristalina en una cantidad de 1 a 3%. En calidad de un “temple” originadle la belita sirve un

enfriamiento bastante rápido del clinker en dispositivos de refrigeración que se sitúan a la

salida del clinker del horno. Regulando la velocidad de enfriamiento del clinker, se

obtiene belita en forma de unos cristales compactos redondos con un tamaño de 0.02 a 0.05

mm.

La suma entre el silicato tricálcico y el bicálcico es de alrededor de 70 a 75% del total de la

composición del clinker, por eso la hidratación de la alita y belita, por lo común,

define las propiedades técnicas del cemento Pórtland. El 25% restante viene constituido por

la sustancia intermedia que llena el espacio entre los cristales de alita y belita.

La sustancia intermedia está constituida por cristales de aluminato tricálcico (C3A),

ferro-aluminato tetracálcico (C4AF), vidrio y minerales secundarios (12CaO.7Al2O3 y otros ).

Su contenido puede variar entre 4 y 12% y en condiciones favorables de cocción se obtiene

en forma de cristales cúbicos con dimensiones de hasta 0.01 a 0.015 mm, forma soluciones

sólidas de composición compleja. La densidad del C3A es igual a 3.04 g/cm3; se hidrata y

fragua con gran rapidez, casi instantáneo en el amasado con agua acompañado de desarrollo

de calor de hidratación muy elevado, llegando hasta 1380 J/g, a los 28 días. Presenta buena

plasticidad y trabajabilidad con un amasado continuo; bajo el agua se desintegra y

desmorona. Se obtiene un tiempo de fraguado normal al añadir yeso y puede dar lugar a la

formación de un compuesto expansivo denominado Etringita, dañino para el concreto

(corrosión sulfoaluminatica ). En ausencia de yeso, la reacción del C3A con el agua es muy

violenta y conduce al endurecimiento inmediato de las pastas. Su efecto en relaciona las

resistencias a comprensión es a aumentarla a la edad inicial de 24 horas (pequeña resistencia

mecánica), sin desarrollar más resistencia posteriormente.

Ferro Aluminato tetracálcico ( C4AF ): Su presencia es de menor importancia en comparación

a la de los anteriores compuestos mencionados, constituye en el clinker una cantidad de 4 a

15%. El C4AF es la sustancia intermedia del clinker representa una solución sólida

de ferroaluminatos cálcicos de diferentes composición. Sus densidades de 3.77 g/cm3.

Presenta incierta contribución a las resistencias mecánicas; se hidrata rápidamente, por lo

que presenta un fraguado en pocos minutos, no tanto como el C3A; el fraguado es

acompañado de desarrollo de calor de hidratación, llegando a 495 J/g a los 28 días.



8. CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN POTENCIAL DEL CLINKER

R. H. Bogue desarrolló un proceso de cálculo según el cual, a partir del análisis químico, se

puede calcular el contenido en minerales, ante todo el C3S, C2S, C3A y C4AF. El método de

cálculo de Bogue está muy extendido, a causa del cuadro claro que ofrece de la composición

del clinker y de las posibles predicciones a cerca acerca de las propiedades del cemento.

En la derivación de las ecuaciones se asume lo siguiente:

No hay vidrios presentes (material no cristalino).

Todo el SO3 se combina como CaSO4.

Todo el Fe2O3 y Al2O3 se combina como C4AF y C3A.

Todo el CaO (Excepto la cal libre y el que se combinó como CaSO4, y C3A), se combina con el

SiO2 para formar una mezcla de C2S y C3S.

De todo esto, el Potencial de Calculo d Bogue, se resumen en la siguiente formula:

𝐶3𝑆 4 𝐶𝑎𝑂 6 𝑆𝑖𝑂2 6 𝐴𝑙2𝑂3 4 𝐹𝑒2𝑂3

𝐶2𝑆 6 𝑆𝑖𝑂2 6 𝐴𝑙2𝑂3 𝐶𝑎𝑂 𝐹𝑒2𝑂3

𝐶3𝐴 6 𝐴𝑙2𝑂3 6 𝐹𝑒2𝑂3

𝐶4𝐴𝐹 4 𝐹𝑒2𝑂3



La fórmula anterior, puede sufrir modificaciones según sea los siguientes casos:

a. Cuando la relación de porcentajes entre óxidos de aluminio a óxido de férrico es 0.64 o más,

los porcentajes de C3S, C2S, C3A y C4AF, deben calcularse a partir de los análisis químicos como

se indica a continuación:

b. Cuando la relación de óxido de aluminio/fierro es menor que 0.664 se forma una solución

sólida de ferro-aluminato cálcico, expresado como ss(C4AF+ C2F). El aluminato tricálcico no

estará presente en los cementos con esta composición. El silicato dicálcico será calculado

como se señala en la formula anterior. Los contenidos de esta solución sólida y del silicato

tricálcico se debe calcular mediante las siguientes formulas:

Problemas

1. El análisis químico de un cemento es el siguiente:

Interpretar dicho análisis

2. Para la construcción de una presa llega a obra una partida de cemento artificial cuyo análisis químico es el siguiente: Se pide: - Interpretar el análisis - Indicar si este cemento es apropiado para construir una presa.

3. El análisis químico siguiente de un cemento Pórtland :

Se desea saber: ¿Cuál es el índice de saturación en cal?, es utilizable en presas

𝐶3𝑆 4 𝐶𝑎𝑂 6 𝑆𝑖𝑂2 6 𝐴𝑙2𝑂3 4 𝐹𝑒2𝑂3 𝑆𝑂3

𝐶2𝑆 6 𝑆𝑖𝑂2 44 𝐶3𝑆

𝐶3𝐴 6 𝐴𝑙2𝑂3 6 𝐹𝑒2𝑂3

𝐶4𝐴𝐹 4 𝐹𝑒2𝑂3

𝐶3𝑆 4 𝐶𝑎𝑂 6 𝑆𝑖𝑂2 4 4 𝐴𝑙2𝑂3 𝐹𝑒2𝑂3 𝑆𝑂3

𝐶2𝑆 6 𝑆𝑖𝑂2 44 𝐶3𝑆

𝑠𝑠(𝐶4𝐴𝐹 𝐶2𝐹) 𝐴𝑙2𝑂3 𝐹𝑒2𝑂3



4. El análisis químico de un clinker de cemento portland es el siguiente:

Calcular la composición potencial del clinker y estudiar sus características

5. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existe el C4AF como fundente. Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

6. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C4AF y un 12,2% de C3A como fundentes.

Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

7. Analizando un clinker de un cemento portland, se obtuvo el siguiente resultado:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C4AF y un 11,6% de C2F como fundentes.

Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

8. Una empresa de fabricación de cemento dispones de tres materias primas (Caliza, marga y arena), cuya composición química es la siguiente:

Determinar en qué proporción han de mezclarse para obtener un crudo que dé un clinker con la siguiente composición química:

9. Determinar si es posible obtener un clinker de composición:

a partir sólo de caliza y marga de la siguiente composición:

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc

22,3 4,6 3,1 66,4 2,5 0,6 0,3 0,2


21,7 X Y 65,6 0,8 0,3 0,0 0,0

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc 21,3 X Y 67,7 1,3 0,6 0,2 0,2


21,0 X Y 64,9 1,1 0,5 0,4 0,2



(*) Materias primas calcinadas y sin resto

10. Una empresa de cementos dispone de tres materias primas caliza, arcilla y arena, ya calcinadas, cuya composición química es la siguiente:

Las pérdidas a la calcinación de la caliza y de la arcilla son 40.1 % y 7.5 % respectivamente. La de la arena se supone despreciable. Se pide:

a) Calcular la proporción en la que se han de mezclar para obtener un clinker con una composición potencial en la que el 50 % sea C3S y el 25 % C2S.

b) Calcular la composición química de la mezcla, así como la composición química y potencial del clinker.

c) Calcular los valores del módulo de silicatos y de alúmina. d) ¿Con dicho clinker se podrá fabricar un cemento resistente a los sulfatos?

11. Se dispone de cuatro materias primas cuyos análisis químicos son los siguientes:

Se desea saber en qué proporción deben mezclarse para obtener un clinker cuyo módulo hidráulico sea igual a 2.2, módulo de silicatos igual a 1.9 y que no contenga C3A ni C2F.

PROBLEMAS TEÓRICOS

A) Definir clinker. B) Diferencias entre producto corrector y producto auxiliar en el crudo de Portland. C) Definir estándar de cal o grado de saturación de cal. ¿Qué objetivos persigue?. D) Qué entendemos por silicatos del clinker de portland?. ¿Cuáles son?. E) ¿Qué entendemos por fundentes del clinker de portland?. ¿Cuáles son? F) Enunciar las características del silicato bicálcico. G) ¿Qué es la cal libre del clinker de portland?. ¿Cuántos tipos de cal libre existen?.

H) ¿Qué entendemos como residuo insoluble del clinker de portland? ¿A qué es debido su presencia?. I) ¿Qué es el fraguado del cemento portland?. ¿Qué propiedades tiene la reacción de fraguado?.



J) ¿Qué compuesto se utiliza como regulador de fraguado en el cemento portland?. ¿Cómo actúa?.

K) Estudiar la aportación de cada componente mineralógico del clinker a las resistencias mecánicas finales del cemento Portland fraguado.

L) ¿Qué inconvenientes presenta el uso del cemento portland?.

M) RESPONDA SI ES VERDAD O FALSO

El crudo es una mezcla adecuada de rocas calizas y arcillosas.

En el crudo además de las calizas y arcillas, no intervienen otros componentes.

El crudo de cemento Portland se obtiene a altas temperaturas, próximas a la sinterización.

En la cocción del crudo no se llega a fusión parcial de los componentes.

Las calizas amorfas ricas en carbonato cálcico aportan pocas impurezas al clinker de cemento portland.

Los productos arcillosos aportan al clinker los óxidos de carácter ácido.

Los productos auxiliares corrigen las deficiencias de las materias primas.

Las margas pueden sustituir a las rocas calizas y a las arcillas en el crudo de cemento Portland.

La bauxita es un producto corrector de sílice en el crudo de cemento Portland.

El (MgO) es el óxido de carácter básico principal en el crudo de cemento portland.

(SiO2), (Al2O3) y (Fe2O3), son los óxidos de carácter ácido principales en el crudo de cemento portland.

El módulo silícico caracteriza la composición de la fase fundida.

El módulo de fundentes caracteriza la composición de la fase fundida.

El estándar de cal fija el contenido óptimo de cal para formar los componentes hidráulicos sin que quede cal libre.

El (C3S) sólo existe en los cementos derivados del clinker de Portland.

El óxido de calcio es un componente principal del clinker de Portland.

El (C2S) existe en la cal hidráulica y en el clinker de Portland.

El (C2F) y el (C3A) pueden coexistir en el clinker de Portland.

El (C3S) es el responsable de las resistencias del cemento a corto plazo.

El (C3S) es más estable químicamente que el (C2S). El (C3A) es el componente más energético del clinker de

cemento portland. El (C3A) presenta una buena estabilidad química a los

sulfatos y al agua de mar.

El (C2F) aparece en el clinker de portland cuando el módulo de fundentes es menor a (0,638).

El óxido de magnesio del clinker puede producir expansiones diferenciadas en los cementos fraguados.

El óxido de cal libre es un componente principal del clinker de portland.

La pérdida al fuego del clinker de cemento portland se considera una medida de su meteorización.

Residuos insolubles en ácido clorhídrico, trióxido de azufre y álcalis son compuestos secundarios que impurifican el clinker.

El (C2S) desarrolla las resistencias mecánicas iniciales. El (C3A) y el (C4AF) no contribuyen a las resistencias

mecánicas finales del cemento portland. El (C2S) contribuye muchísimo más que el (C3S) a las

resistencias mecánicas totales del cemento Portland. Un cemento con un alto contenido en (C3S) alcanza las

resistencias mecánicas a edades muy tempranas. El (C2F) es el causante de las resistencias mecánicas

iniciales. El silicato tricálcico es el componente más energético del

clinker de cemento Portland El silicato bicálcico es más energético que el silicato

tricálcico. El silicato tricálcico es el componente de los silicatos del

clinker más energético. El aluminato tricálcico es el componente más energético

del clinker de portland. El ferrito aluminato tetracálcico es el componente más

energético de los fundentes del clinker de cemento portland.

El regulador de fraguado acelera la hidratación del (C3A). El regulador de fraguado aumenta la velocidad de fraguado

del clinker El regulador de fraguado que utiliza la industria es yeso

natural. La rápida hidratación del (C3S) obliga a la utilización de un

regulador de fraguado. La existencia de una gran concentración de (C2S) puede

evitar la utilización de regulador de fraguado en el cemento portland.

Documents

folleto cemento2